En ny klass av kvantprickar levererar en stabil ström av singel, spektralt avstämbara infraröda fotoner under omgivningsförhållanden och vid rumstemperatur, till skillnad från andra enstaka fotonemitters. Detta genombrott öppnar en rad praktiska tillämpningar, inklusive kvantkommunikation, kvantmetrologi, medicinsk bildbehandling och diagnostik, och hemlig märkning.

"Demonstrationen av hög enfotonrenhet i det infraröda har omedelbar nytta inom områden som kvantnyckeldistribution för säker kommunikation, sa Victor Klimov, huvudförfattare till en artikel som publicerades idag i Naturens nanoteknik av Los Alamos National Laboratory-forskare.

Los Alamos-teamet har utvecklat ett elegant tillvägagångssätt för att syntetisera de kolloidala nanopartikelstrukturerna som härrör från deras tidigare arbete med synligt ljus baserat på en kärna av kadmiumselenid inkapslad i ett kadmiumsulfidskal. Genom att infoga ett kvicksilversulfidmellanskikt vid gränssnittet mellan kärna och skal, teamet förvandlade kvantprickarna till mycket effektiva sändare av infrarött ljus som kan ställas in på en specifik våglängd.

"Denna nya syntes möjliggör mycket exakta, atomär nivåkontroll av tjockleken på det emitterande kvicksilversulfidmellanskiktet. Genom att ändra det i steg om ett enda atomlager, vi kan ställa in våglängden på det emitterade ljuset i diskreta kvantiserade hopp, och justera den ytterligare på ett mer kontinuerligt sätt genom att justera storleken på kadmiumselenidkärnan, sade Vladimir Sajevitj, ledande kemisten i detta projekt.

Mycket överlägsen befintliga nära-infraröda kvantpunkter, dessa nya strukturer visar "blinkningsfri" emission på en punktnivå, nästan perfekt enkelfotonrenhet vid rumstemperatur (som producerar "kvantljus"), och snabba utsläppshastigheter. De beter sig extremt bra med både optisk och elektrisk excitation.

Enstaka fotoner kan användas som qubits i kvantberäkningar. I en cybersäkerhetsapplikation, enstaka fotoner kan skydda ett datornätverk genom kvantnyckeldistribution, som ger ultimat säkerhet genom "okrossbara" kvantprotokoll.

Bioavbildning är en annan viktig applikation. Emissionsvåglängden för de nyutvecklade kvantprickarna ligger inom det nära-infraröda biotransparensfönstret, vilket gör dem väl lämpade för djupvävnadsavbildning.

Människor kan inte se infrarött ljus, men många moderna tekniker förlitar sig på det, från mörkerseende enheter och fjärranalys till telekommunikation och biomedicinsk bildbehandling. Infrarött ljus är också en stor aktör i framväxande kvantteknologier som förlitar sig på dualiteten av ljuspartiklar, eller fotoner, som också kan bete sig som vågor. Att utnyttja denna kvantegenskap kräver källor till "kvantljus" som avger ljus i form av individuella kvanta, eller fotoner.

"Det finns också ett coolt kemiskt element i att uppnå enatomslagers noggrannhet i att göra dessa prickar, sa Zack Robinson, projektmedlemmen med fokus på kvantpunktspektroskopi. "Tjockleken på det avgivande kvicksilversulfidmellanskiktet är identisk över alla prickar i proverna. Det är väldigt unikt, speciellt för ett material tillverkat kemiskt i en bägare."

Klimov lade till, "Dock, detta är bara det första steget. För att dra full nytta av "kvantljus" måste man uppnå foton omöjlig att urskilja, det är, för att se till att alla emitterade fotoner är kvantmekaniskt identiska. Detta är en extremt svår uppgift, som vi kommer att ta itu med härnäst i vårt projekt."