(PhysOrg.com) -- Genom att använda en unik hybrid nanostruktur, University of Maryland-forskare har visat en ny typ av ljus-materia-interaktion och även visat den första fullständiga kvantkontrollen av qubit-spin inom mycket små kolloidala nanostrukturer (några nanometer), tar därmed ett viktigt steg framåt i ansträngningarna att skapa en kvantdator.

Publicerad i 1 juli-numret av Natur , deras forskning bygger på arbete av samma forskargrupp i Maryland som publicerades i mars i tidskriften Vetenskap (3-26-10). Enligt författarna och externa experter, de nya rönen förstärker ytterligare löftet om dessa nya nanostrukturer för kvantberäkningar och för nya, mer effektiv, energigenereringsteknik (som fotovoltaiska celler), såväl som för andra teknologier som är baserade på ljus-materia-interaktioner som biomarkörer.

"Det verkliga genombrottet är att vi använder en ny teknik från materialvetenskap för att "belysa" ljus-materia-interaktioner och relaterad kvantvetenskap på sätt som vi tror kommer att ha viktiga tillämpningar inom många områden, särskilt energiomvandling och lagring och kvantberäkning, " sa ledande forskare Min Ouyang, en biträdande professor vid institutionen för fysik och vid universitetets Maryland NanoCenter. "Faktiskt, Vårt team tillämpar redan vår nya förståelse av interaktioner mellan ljus och materia i nanoskala och utvecklingen av exakt kontroll av nanostrukturer på utvecklingen av en ny typ av solcellsceller som vi förväntar oss att vara betydligt effektivare för att omvandla ljus till elektricitet än nuvarande celler."

Ouyang och de andra medlemmarna i University of Maryland-teamet - forskaren Jiatao Zhang, och studenterna Kwan Lee och Yun Tang -- har skapat en patentsökt process som använder kemisk termodynamik för att producera, i lösning, ett brett utbud av olika kombinationsmaterial, var och en med ett skal av strukturellt perfekt monokristallhalvledare runt en metallkärna. I forskningen publicerad i veckans Nature, forskarna använde hybridmetall/halvledarnanostrukturer utvecklade genom denna process för att experimentellt demonstrera "avstämbar resonanskoppling" mellan en plasmon (från metallkärna) och en exciton (från halvledarskal), med en resulterande förbättring av Optical Stark Effect. Denna effekt upptäcktes för cirka 60 år sedan i studier av interaktionen mellan ljus och atomer som visade att ljus kan användas för att modifiera atomära kvanttillstånd.

"Metal-halvledarheteronanostrukturer har undersökts intensivt under de senaste åren med de metalliska komponenterna som används som nanoskala antenner för att koppla ljus mycket mer effektivt in i och ut ur halvledarnanoskala, ljussändare, " sa Garnett W. Bryant, ledare för Quantum Processes and Metrology Group i Atomic Physics Division vid National Institute of Standards and Technology. "Den forskning som leddes av Min Ouyang visar att en ny heteronanostruktur med halvledaren som omger den metalliska nanoantennen kan uppnå samma mål. Sådana strukturer är mycket enkla och mycket lättare att göra än man tidigare försökt, öppnar i hög grad upp möjligheter för tillämpning. Viktigast, de har visat att ljus/materia-kopplingen kan manipuleras för att uppnå koherent kvantkontroll av halvledarnanoemittrarna, ett nyckelkrav för bearbetning av kvantinformation, sa Bryant, som också är forskare vid Joint Quantum Institute, ett partnerskap mellan NIST och University of Maryland som är ett av världens ledande centra för kvantvetenskaplig forskning.

Ouyang och hans kollegor är överens om att deras nya upptäckter möjliggjordes av deras kristall-metallhybridnanostrukturer, som erbjuder ett antal fördelar jämfört med de epitaxiella strukturerna som används för tidigare arbete. Epitaxi har varit det huvudsakliga sättet att skapa enkristallhalvledare och relaterade enheter. Den nya forskningen belyser de nya funktionerna hos dessa UM nanostrukturer, gjord med en process som undviker två nyckelbegränsningar för epitaxi - en gräns för tjockleken på deponeringshalvledarskiktet och ett styvt krav på "gittermatchning".

Maryland-forskarna noterar att, förutom de förbättrade funktionerna hos deras hybridnanostrukturer, Metoden för att producera dem kräver inte en renrumsanläggning och materialen behöver inte formas i ett vakuum, hur de som tillverkas av konventionell epitaxi gör. "Därför skulle det också vara mycket enklare och billigare för företag att massproducera produkter baserade på våra hybridnanostrukturer, sa Ouyang.