Forskare har flyttat kvantoptiska nätverk ett steg närmare verkligheten. Möjligheten att exakt styra växelverkan mellan ljus och materia på nanoskala kan hjälpa ett sådant nätverk att överföra större mängder data snabbare och säkrare än ett elnät.

Ett team av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago och Northwestern University har framgångsrikt övervunnit de betydande utmaningarna med att mäta hur nanoplateletter, som består av tvådimensionella lager av kadmiumselenid, interagera med ljus i tre dimensioner. Framsteg inom detta område kan förbättra driften av kvantoptiska nät.

"För att integrera nanoplateletter i, säga, fotoniska enheter, vi måste förstå hur de interagerar med ljus eller hur de avger ljus, "noterade Xuedan Ma, nanovetare vid Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Ma och sex medförfattare publicerade sina fynd i Nano bokstäver i ett papper med titeln "Anisotrop fotoluminescens från isotropa optiska övergångsdipoler i halvledarnanoplateletter."

"Projektet riktar sig slutligen mot de unika optiska egenskaperna hos kvantmaterial och det faktum att de avger enstaka fotoner, "sa Gary Wiederrecht, en medförfattare som också leder gruppen CNM:s nanofotonik och biofunktionella strukturer. "Du måste kunna integrera kvantemittern med de optiska nätverken."

Enfotonkällor som dessa behövs för applikationer inom kvantkommunikation och informationsbehandling på långa avstånd. Dessa källor, som skulle fungera som signalbärare i kvantoptiska nätverk, avger ljus som enstaka fotoner (ljuspartiklar). Enstaka fotoner är idealiska för många applikationer för kvantinformationsvetenskap eftersom de färdas med låg hastighet och tappar lite fart över långa avstånd.

Nanoplateletter bildar subatomära partikelliknande enheter som kallas excitoner när de absorberar ljus. Den vertikala dimensionen av nanoplateletterna är där excitonerna genomgår kvantbegränsning, ett fenomen som bestämmer deras energinivåer och paket elektroner till diskreta energinivåer.

Några av nanoplateletterna för denna forskning, som har anmärkningsvärt likformig tjocklek, syntetiserades i kemiprofessorn Dmitri Talapins laboratorium vid University of Chicago. Talapin är en annan medförfattare till tidningen och har en gemensam tid med Argonne.

"De har exakt atomnivåkontroll av nanoplatelet tjocklek, ”Sa Ma om Talapins forskargrupp.

Nanoplateletterna är cirka 1,2 nanometer tjocka (sträcker sig över fyra lager atomer) och mellan 10 och 40 nanometer breda. Ett papper skulle vara tjockare än en bunt med mer än 40, 000 nanoplateletter. Detta gör det svårare att mäta materialets interaktioner med ljus i tre dimensioner.

Ma och hennes kollegor kunde lura det tvådimensionella nanoplatelet-materialet för att avslöja hur de interagerar med ljus i tre dimensioner via de speciella provberednings- och analysfunktionerna som finns tillgängliga på CNM.

Övergångsdipolmomentet är en viktig tredimensionell parameter som arbetar på halvledare och organiska molekyler. "Det definierar, i grund och botten, hur molekylen eller halvledaren interagerar med yttre ljus, "Sa mamma.

Men den vertikala komponenten i övergångsdipolen är svår att mäta i ett så plant material som de halvledande nanoplateletterna. Forskarna löste den svårigheten genom att använda torr-etsningsverktygen i CNM:s nanofabrication cleanroom för att något grova de platta glasskivorna på vilka nanoplateletterna placeras för noggrann undersökning via laserskanning och mikroskopi.

"Grovheten är inte så stor att de snedvrider en laserstråle, men tillräckligt för att införa slumpmässiga fördelningar av nanoplateletter, "Ma förklarade. De slumpmässiga orienteringarna av nanoplateletterna tillät forskarna att bedöma materialets tredimensionella dipolegenskaper med speciella optiska metoder för att skapa en munkformad laserstråle i ett unikt optiskt mikroskop vid CNM.

Lagets nästa steg är att integrera nanoplatelet material med fotoniska enheter för överföring och bearbetning av kvantinformation. "Vi går redan i denna riktning, "Sa mamma.