Verkligen säker kommunikation. Ingen avlyssning. Det är löftet om kvantkommunikation. En utmaning för att göra det till verklighet är lätt. Vi behöver ett effektivt sätt att skapa paket av ljus, kallas fotoner. Nu, forskare har identifierat hur modifierade kolnanorör avger fotonpar. Experimenten och teorin visar att fotonparen är resultatet av infångningen och rekombinationen av två excitoner (elektron-hål-par). Bevisen tyder på att detta är en effektiv process för att generera fotonpar.

Teamets forskning visar hur man producerar fotoner effektivt med hjälp av små rör av kol. Sådan produktion kan leda till ultrasäkra sätt att skicka meddelanden (kvantkommunikation). Tillvägagångssättet kan också förändra lasrar, används i allt från hemelektronik till vetenskapliga instrument. Av ytterligare tilltalande är att modifiering av kolnanorören innebär en enkel avsättning av tunna filmer av kisel eller aluminiumoxid. Detta gör rören kompatibla med befintlig mikroelektronisk teknologi. Det öppnar också en väg för att utveckla fotoniska integrerade kretsar.

Justera de elektroniska egenskaperna hos enkelväggiga kolnanorör (SWCNT), en process som kallas doping, håller på att dyka upp som ett effektivt sätt att förbättra emissionsegenskaperna hos dessa nanorör och introducera nya funktioner. Dessa dopningstillstånd av SWCNT är en ny typ av kvantljuskälla som kan efterlikna fångade joner vid rumstemperatur. Medan de flesta dopningstillstånd emitterar en foton per excitationscykel och därför kan fungera som enstaka fotonemitters, vissa dopningstillstånd avger fotoner i par. Det finns två sätt att detta kan inträffa:fotonparen kan komma från två dopningstillstånd belägna inom laserexcitationsfläcken eller från successiv rekombination av två excitoner i en enda defekt. Den senaste forskningen från forskare vid Center for Integrated Nanotechnologies och deras samarbetspartners vid Los Alamos National Laboratory identifierar den senare processen som ansvarig part och klargör ytterligare detaljerna i processen.

Forskarna utförde ett tidsstyrt andra ordningens fotonkorrelationsexperiment för att separera fotoner som emitteras från de snabba sönderfallen av multi-excitontillstånd och de som emitteras från det långsamma sönderfallet i samband med enstaka excitontillstånd. Experimentet visade att fotonparemissionen härrör från två på varandra följande infångningar och rekombinationer av excitoner i ett ensamt syrgasdopande tillstånd. Ytterligare experimentella bevis och teoretisk analys visade att denna typ av fotonparemissionsprocess kan ske med en effektivitet så hög som 44 procent av den enstaka fotonemissionen. Den huvudsakliga begränsande faktorn för effektiviteten av denna process är förintelsen av excitoner vid kollision (exciton-excitonförintelse). Även om multiexcitonemission inte är önskvärt för generering av en foton, detta arbete öppnar en spännande ny väg mot kolnanorörsbaserade lasrar och generering av intrasslade fotoner. Övergripande, detta arbete belyser de rika multi-excitoniska processerna som är förknippade med dopningstillstånd.