Los Alamos National Laboratory har producerat det första kända materialet som kan emittera enfoton vid rumstemperatur och vid telekommunikationsvåglängder. Dessa kvantljusemitterande kolnanorör kan vara viktiga för optiskt baserad kvantinformationsbehandling och informationssäkerhet, samtidigt som det är av stort intresse för ultrakänslig avkänning, metrologi och avbildningsbehov och som fotonkällor för grundläggande framsteg inom kvantoptikstudier. Forskningen rapporterades idag i tidningen Nature Photonics .

"Genom att kemiskt modifiera nanorörets yta för att på ett kontrollerat sätt införa ljusemitterande defekter, vi har utvecklat kolnanorör som en enda fotonkälla, arbeta för att implementera defekt-tillstånds kvantemitrar som arbetar vid rumstemperatur och visar deras funktion i tekniskt användbara våglängder, "sade Stephen Doorn, projektledare vid Los Alamos och medlem i Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Helst, en enda fotonemitter ger både rumstemperaturdrift och emission vid telekomvåglängder, men detta har förblivit ett svårfångat mål. Tills nu, material som kan fungera som enstaka fotonutsändare i dessa våglängder måste kylas till flytande heliumtemperaturer, gör dem mycket mindre användbara för ultimata applikationer eller vetenskapliga ändamål, " han sa.

Ett kritiskt genombrott i CINT -nanorörsarbetet var teamets förmåga att tvinga nanoröret att avge ljus från en enda punkt längs röret, endast på en defekt plats. Nyckeln var att begränsa defektnivåerna till en per rör. Ett rör, en defekt, en foton. . . . Genom att avge ljus bara en foton i taget, man kan sedan styra fotonernas kvantegenskaper för lagring, manipulation och överföring av information.

CINT-forskarna kunde uppnå denna grad av kontroll med hjälp av diazoniumbaserad kemi, en process som de använde för att binda en organisk molekyl till nanorörets yta för att fungera som defekten. Diazoniumreaktionskemin möjliggjorde en kontrollerbar introduktion av bensenbaserade defekter med minskad känslighet för naturliga fluktuationer i den omgivande miljön. Viktigt, mångsidigheten i diazoniumkemin tillät också forskarna att få åtkomst till den inneboende avstämningen av nanorörsemissionsvåglängder.

Våglängderna (eller färgen) för fotonerna som producerats i de flesta andra tillvägagångssätt hade varit för korta för telekommunikationsapplikationer, där fotoner måste manipuleras effektivt och transporteras inom optiska kretsar. Teamet fann att genom att välja ett nanorör med lämplig diameter, den enkla fotonemissionen kunde ställas in på det väsentliga telekomvåglängdsområdet.

De funktionaliserade kolnanorören har betydande förutsättningar för vidare utveckling, Doorn noterade, inklusive framsteg inom funktionaliseringskemi; integration i fotonisk, plasmoniska och metamaterialstrukturer för ytterligare kontroll av kvantemissionsegenskaper; och implementering i elektriskt drivna enheter och optiska kretsar för olika applikationer.