Ученые продвинули квантово-оптические сети на шаг ближе к реальности. Способность точно контролировать взаимодействия света и вещества на наноуровне может помочь такой сети передавать большие объемы данных быстрее и безопаснее, чем электрическая сеть.

Команда исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Чикагского университета и Северо-западного университета успешно преодолела серьезные проблемы, связанные с измерением того, как наночастицы, состоящие из двумерных слоев селенида кадмия, взаимодействуют со светом в три измерения. Достижения в этой области могут улучшить работу квантово-оптических сетей.

«Чтобы интегрировать нанопластинки, скажем, в фотонные устройства, мы должны понять, как они взаимодействуют со светом или как они излучают свет», — отметил Сюэдан Ма, ученый-нанотехнолог в Центре наноразмерных материалов (CNM), пользователь Министерства науки Министерства энергетики США. Объект в Аргонне. Ма и шесть соавторов опубликовали свои результаты в Nano Letters в статье под названием «Анизотропная фотолюминесценция из изотропных оптических переходных диполей в полупроводниковых наночастицах».

«В конечном счете, проект нацелен на уникальные оптические свойства квантовых материалов и тот факт, что они излучают одиночные фотоны» , — сказал Гари Видеррехт, соавтор, который также возглавляет группу нанофотоники и биофункциональных структур CNM. «Вы должны быть в состоянии интегрировать квантовый излучатель с оптическими сетями».

Подобные однофотонные источники необходимы для приложений в области квантовой связи на больших расстояниях и обработки информации. Эти источники, которые будут служить носителями сигнала в квантовых оптических сетях, излучают свет в виде одиночных фотонов (легких частиц). Одиночные фотоны идеально подходят для многих приложений квантовой информатики, потому что они движутся со скоростью света и теряют небольшой импульс на больших расстояниях.

Нанопластинки образуют субатомные частицы, похожие на частицы, называемые экситонами, когда они поглощают свет. Вертикальный размер нанопластинчатых частиц — это место, где экситоны подвергаются квантовому ограничению, явлению, которое определяет их энергетические уровни и разделяет электроны на дискретные энергетические уровни .

Некоторые из наночастиц для этого исследования, которые имеют удивительно однородную толщину, были синтезированы в лаборатории Чикагского университета профессора химии Дмитрия Талапина. Талапин является еще одним соавтором статьи и имеет совместное назначение с Аргонной.

«У них есть точный атомный контроль толщины наночастиц», — говорит Ма из исследовательской группы Талапина.

Наночастицы имеют толщину приблизительно 1,2 нанометра (охватывающую четыре слоя атомов) и ширину от 10 до 40 нанометров. Кусок бумаги будет толще, чем стопка из более чем 40000 нанопластинок. Это затрудняет измерение взаимодействия материала со светом в трех измерениях.

Ма и ее коллеги смогли обмануть двумерный материал наночастиц, чтобы показать, как они взаимодействуют со светом в трех измерениях, с помощью специальных возможностей подготовки и анализа образцов, доступных в CNM.

Дипольный момент перехода является важным трехмерным параметром, действующим на полупроводники и органические молекулы. «Это определяет, в основном, как молекула или полупроводник взаимодействует с внешним светом» , — сказал Ма.

Но вертикальную составляющую переходного диполя трудно измерить в таком плоском материале, как полупроводниковые наночастицы. Исследователи решили эту проблему, используя инструменты сухого травления в чистом помещении для нанотехнологий CNM, чтобы немного придать шероховатости предметным стеклам, на которых нанопластинчатые частицы помещены для тщательного изучения с помощью лазерного сканирования и микроскопии.

«Шероховатость не настолько велика, что они искажают лазерный луч , но достаточна для того, чтобы ввести случайные распределения наночастиц», — объяснил Ма. Случайные ориентации нанопланшетов позволили исследователям оценить трехмерные дипольные свойства материала с помощью специальных оптических методов для создания лазерного луча в форме пончика в уникальном оптическом микроскопе на УНМ.

Следующим шагом команды является интеграция нанопластинчатых материалов с фотонными устройствами для передачи и обработки квантовой информации. «Мы уже идем в этом направлении», — сказал Ма.