Una nuova classe di punti quantici fornisce un flusso stabile di singoli, fotoni infrarossi sintonizzabili spettralmente in condizioni ambientali e a temperatura ambiente, a differenza di altri emettitori di fotoni singoli. Questa svolta apre una gamma di applicazioni pratiche, compresa la comunicazione quantistica, metrologia quantistica, diagnostica per immagini e diagnostica, ed etichettatura clandestina.

"La dimostrazione dell'elevata purezza del singolo fotone nell'infrarosso ha un'utilità immediata in aree come la distribuzione delle chiavi quantistiche per la comunicazione sicura, " ha detto Victor Klimov, autore principale di un articolo pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura dagli scienziati del Los Alamos National Laboratory.

Il team di Los Alamos ha sviluppato un approccio elegante per sintetizzare le strutture di nanoparticelle colloidali derivate dal loro precedente lavoro sugli emettitori di luce visibile basato su un nucleo di seleniuro di cadmio racchiuso in un guscio di solfuro di cadmio. Inserendo uno strato intermedio di solfuro di mercurio nell'interfaccia nucleo/guscio, il team ha trasformato i punti quantici in emettitori di luce infrarossa altamente efficienti che possono essere sintonizzati su una lunghezza d'onda specifica.

"Questa nuova sintesi consente di ottenere un'elevata precisione, controllo a livello atomico dello spessore dell'intercalare che emette solfuro di mercurio. Modificandolo in incrementi di un singolo strato atomico, possiamo sintonizzare la lunghezza d'onda della luce emessa in discreti salti quantizzati, e regolarlo ulteriormente in modo più continuo regolando la dimensione del nucleo di seleniuro di cadmio, " disse Vladimir Sayevich, il chimico principale di questo progetto.

Di gran lunga superiore ai punti quantici nel vicino infrarosso esistenti, queste nuove strutture mostrano un'emissione "senza lampeggiamento" a livello di un singolo punto, purezza del singolo fotone quasi perfetta a temperatura ambiente (che produce "luce quantistica"), e tassi di emissione veloci. Si comportano molto bene sia con l'eccitazione ottica che elettrica.

I singoli fotoni possono essere usati come qubit nell'informatica quantistica. In un'applicazione di sicurezza informatica, i singoli fotoni possono proteggere una rete di computer attraverso la distribuzione di chiavi quantistiche, che fornisce la massima sicurezza attraverso protocolli quantistici "infrangibili".

Il bio-imaging è un'altra importante applicazione. La lunghezza d'onda di emissione dei punti quantici di nuova concezione è all'interno della finestra di biotrasparenza del vicino infrarosso, che li rende adatti per l'imaging dei tessuti profondi.

Le persone non possono vedere la luce a infrarossi, ma molte tecnologie moderne si basano su di esso, dai dispositivi per la visione notturna e il telerilevamento alle telecomunicazioni e l'imaging biomedico. La luce infrarossa è anche un grande attore nelle tecnologie quantistiche emergenti che si basano sulla dualità delle particelle luminose, o fotoni, che possono anche comportarsi come onde. Lo sfruttamento di questa proprietà quantistica richiede sorgenti di "luce quantistica" che emettono luce sotto forma di quanti individuali, o fotoni.

"C'è anche un elemento chimico interessante nel raggiungere la precisione del singolo strato atomico nel creare questi punti, " ha detto Zack Robinson, il membro del progetto che si concentra sulla spettroscopia a punti quantici. "Lo spessore dell'interstrato di solfuro di mercurio che emette è identico in tutti i punti nei campioni. È davvero unico, soprattutto per un materiale prodotto chimicamente in un bicchiere."

Klimov ha aggiunto, "Però, questo è solo il primo passo. Per sfruttare appieno la "luce quantistica" è necessario ottenere l'indistinguibilità dei fotoni, questo è, per assicurarsi che tutti i fotoni emessi siano quantisticamente identici. Questo è un compito estremamente difficile, che affronteremo in seguito nel nostro progetto."