Partiklar som bara är nanometer stora ligger i framkant i vetenskaplig forskning idag. De finns i många olika former:stavar, sfärer, kuber, vesiklar, S-formade maskar och till och med munkliknande ringar. Det som gör dem värda vetenskapliga studier är att, vara så liten, de uppvisar kvantmekaniska egenskaper som inte är möjliga med större objekt.

Forskare vid Center for Nanoscale Materials (CNM), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility beläget vid DOE's Argonne National Laboratory, har bidragit till en nyligen publicerad Naturkommunikation papper som rapporterar orsaken bakom en nyckelkvantegenskap hos donutliknande nanopartiklar som kallas "halvledarkvantumringar". Den här egenskapen kan hitta tillämpning i kvantinformationslagring, kommunikation, och datorer i framtida teknik.

I detta projekt, CNM -forskarna samarbetade med kollegor från University of Chicago, Ludwig Maximilian University of Munich, University of Ottawa och National Research Council i Kanada.

Teamet monterade cirkulära ringar gjorda av kadmiumselenid, en halvledare som lämpar sig för att odla munkformade nanopartiklar. Dessa kvantringar är tvådimensionella strukturer-kristallina material som består av några lager av atomer. Fördelen med halvledare är att när forskare exciterar dem med en laser, de avger fotoner.

"Om du belyser en tvådimensionell fotonemitter med en laser, du förväntar dig att de avger ljus längs två axlar, "sa Xuedan Ma, assisterande forskare vid CNM. "Men vad du förväntar dig är inte nödvändigtvis vad du får. Till vår förvåning, dessa tvådimensionella ringar kan avge ljus längs en axel. "

Teamet observerade denna effekt när man bryter den perfekta rotationssymmetrin i munkformen, vilket gör att de blir något långsträckta. "Genom att denna symmetri bryts, "säger mamma, "vi kan ändra riktningen för ljusemission. Vi kan därmed styra hur fotoner kommer ut ur munken och uppnå en sammanhängande riktningskontroll."

Eftersom fotonerna i ljuset avger från dessa ringar längs en enda riktning, snarare än att sprida sig åt alla håll, forskare kan ställa in denna utsläpp för att effektivt samla enstaka fotoner. Med denna kontroll, forskare kan integrera topologiinformation i fotonerna, som sedan kan användas som budbärare för att bära kvantinformation. Det kan till och med vara möjligt att utnyttja dessa kodade fotoner för kvantnätverk och beräkning.

"Om vi ​​kan få ännu större kontroll över tillverkningsprocessen, vi kan göra nanopartiklar med olika former som en klöver med flera hål eller en rektangel med ett hål i mitten, "noterade Matthew Otten, en Maria Goeppert Mayer -stipendiat vid Argonnes CNM. "Sedan, vi kanske kan koda fler typer av kvantinformation eller mer information till nanopartiklarna. "

"Jag skulle tillägga att geometri inte är den enda faktorn som orsakar denna kvanteffekt. Materialets atomistiska struktur räknas också, som ofta är fallet i nanoskala material, "sa mamma.

Ett papper baserat på studien, "Enaxliga övergångsdipolmoment i halvledarkvantumringar orsakade av bruten rotationssymmetri, "dök upp nyligen i Naturkommunikation . Förutom Ma och Otten, författare inkluderar Nicolai F. Hartmann, Igor Fedin, Dmitri Talapin, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray och Achim Hartschuh.