Gli scienziati hanno avvicinato le reti ottiche quantistiche alla realtà. La capacità di controllare con precisione le interazioni di luce e materia su scala nanometrica potrebbe aiutare una rete di questo tipo a trasmettere grandi quantità di dati in modo più rapido e sicuro rispetto a una rete elettrica.

Un team di ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory, l'Università di Chicago e la Northwestern University hanno superato con successo le sfide significative della misurazione del modo in cui le nanopiastrine, costituiti da strati bidimensionali di seleniuro di cadmio, interagire con la luce in tre dimensioni. I progressi in questo settore potrebbero migliorare il funzionamento delle reti ottiche quantistiche.

"Al fine di integrare le nanopiastrine in, dire, dispositivi fotonici, dobbiamo capire come interagiscono con la luce o come emettono luce, " ha osservato Xuedan Ma, nanoscienziato presso il Center for Nanoscale Materials (CNM), un DOE Office of Science User Facility ad Argonne. Ma e sei coautori hanno pubblicato i loro risultati in Nano lettere in un articolo intitolato "Fotoluminescenza anisotropica da dipoli di transizione ottica isotropa in nanopiastrine di semiconduttori".

"Il progetto mira in definitiva alle proprietà ottiche uniche dei materiali quantistici e al fatto che emettono singoli fotoni, " ha detto Gary Wiederrecht, un coautore che guida anche il gruppo di nanofotonica e strutture biofunzionali del CNM. "Devi essere in grado di integrare l'emettitore quantistico con le reti ottiche".

Sorgenti a fotone singolo come queste sono necessarie per applicazioni nelle comunicazioni quantistiche a lunga distanza e nell'elaborazione delle informazioni. Queste fonti, che servirebbero come portatori di segnale nelle reti ottiche quantistiche, emettono luce come singoli fotoni (particelle di luce). I singoli fotoni sono ideali per molte applicazioni di scienza dell'informazione quantistica perché viaggiano alla velocità della luce e perdono poco slancio su lunghe distanze.

Le nanopiastrine formano entità simili a particelle subatomiche chiamate eccitoni quando assorbono la luce. La dimensione verticale delle nanopiastrine è dove gli eccitoni subiscono il confinamento quantistico, un fenomeno che determina i loro livelli energetici e scompone gli elettroni in livelli energetici discreti.

Alcune delle nanopiastrine per questa ricerca, che hanno uno spessore notevolmente uniforme, sono stati sintetizzati nel laboratorio dell'Università di Chicago del professore di chimica Dmitri Talapin. Talapin è un altro coautore del documento e ha un appuntamento congiunto con Argonne.

"Hanno un controllo preciso a livello atomico dello spessore delle nanopiastrine, "Ma ha detto del gruppo di ricerca di Talapin.

Le nanopiastrine sono spesse circa 1,2 nanometri (che coprono quattro strati di atomi) e larghe tra 10 e 40 nanometri. Un pezzo di carta sarebbe più spesso di una pila di più di 40, 000 nanopiastrine. Ciò rende più difficile misurare le interazioni del materiale con la luce in tre dimensioni.

Ma e i suoi colleghi sono stati in grado di ingannare il materiale nanopiastrinico bidimensionale per rivelare come interagiscono con la luce in tre dimensioni tramite le speciali capacità di preparazione e analisi del campione disponibili presso il CNM.

Il momento di dipolo di transizione è un importante parametro tridimensionale che opera su semiconduttori e molecole organiche. "Si definisce, fondamentalmente, come la molecola o il semiconduttore interagisce con la luce esterna, " disse la mamma.

Ma la componente verticale del dipolo di transizione è difficile da misurare in un materiale piatto come le nanopiastrine semiconduttrici. I ricercatori hanno risolto questa difficoltà utilizzando gli strumenti di incisione a secco della camera bianca di nanofabbricazione del CNM per irruvidire leggermente i vetrini piani su cui sono posizionate le nanopiastrine per un esame ravvicinato tramite scansione laser e microscopia.

"La rugosità non è così grande da distorcere un raggio laser, ma abbastanza per introdurre distribuzioni casuali delle nanopiastrine, Ma ha spiegato. Gli orientamenti casuali delle nanopiastrine hanno permesso ai ricercatori di valutare le proprietà del dipolo tridimensionale del materiale con speciali metodi ottici per creare un raggio laser a forma di ciambella all'interno di un microscopio ottico unico al CNM.

Il prossimo passo del team consiste nell'integrare i materiali nanopiastrinici con dispositivi fotonici per la trasmissione e l'elaborazione di informazioni quantistiche. "Stiamo già procedendo in questa direzione, " disse la mamma.