Ein-Photonen-Emitter hat ein Versprechen für die Quanten-Informationsverarbeitung

Anonim

Das Los Alamos National Laboratory hat das erste bekannte Material hergestellt, das in der Lage ist, Einzelphotonenemission bei Raumtemperatur und bei Wellenlängen im Telekommunikationsbereich zu erzeugen. Diese Kohlenstoff-Nanoröhren-Quanten-Lichtemitter können für die optische Quanteninformationsverarbeitung und Informationssicherheit von Bedeutung sein, während sie auch für ultrasensitive Sensor-, Metrologie- und Bildgebungsanforderungen sowie als Photonenquellen für grundlegende Fortschritte in Quantenoptikstudien von großem Interesse sind. Die Forschung wurde heute in der Zeitschrift Nature Photonics berichtet .

"Durch die chemische Modifizierung der Nanoröhrenoberfläche zur kontrollierten Einführung lichtemittierender Defekte haben wir Kohlenstoff-Nanoröhren als Einzelphotonenquelle entwickelt, die auf die Implementierung von quantenemittierenden Quantenemittern bei Raumtemperatur und deren Funktion in technologisch nützlichen Wellenlängen hinarbeiten", sagte Stephen Doorn, Leiter des Projekts in Los Alamos und Mitglied des Zentrums für integrierte Nanotechnologien (CINT). "Idealerweise wird ein einzelner Photonenemitter sowohl den Betrieb bei Raumtemperatur als auch die Emission bei Telekommunikationswellenlängen ermöglichen, aber dies blieb ein schwer erreichbares Ziel. Bisher mussten Materialien, die als Einzelphotonenemitter in diesen Wellenlängen wirken konnten, zu flüssigem Helium gekühlt werden Temperaturen, wodurch sie für ultimative Anwendungen oder wissenschaftliche Zwecke viel weniger nützlich sind ", sagte er.

Ein kritischer Durchbruch in der CINT-Nanoröhren-Arbeit war die Fähigkeit des Teams, die Nanoröhre dazu zu zwingen, Licht von einem einzigen Punkt entlang der Röhre nur an einer Defektstelle zu emittieren. Der Schlüssel war, den Fehlerlevel auf einen pro Röhre zu begrenzen. Eine Röhre, ein Defekt, ein Photon.. .. Indem man nur ein Photon nach dem anderen emittiert, kann man die Quanteneigenschaften der Photonen für die Speicherung, Manipulation und Übertragung von Informationen steuern.

Die CINT-Forscher konnten diesen Grad der Kontrolle mit Diazoniumchemie erreichen, ein Prozess, bei dem ein organisches Molekül an die Oberfläche des Nanoröhrchens gebunden wurde, um als Defekt zu dienen. Die Diazoniumreaktion ermöglichte eine kontrollierte Einführung von Benzol-basierten Defekten mit reduzierter Empfindlichkeit gegenüber natürlichen Fluktuationen in der Umgebung. Die Vielseitigkeit der Diazoniumchemie ermöglichte den Forschern auch den Zugang zu der inhärenten Abstimmbarkeit der Wellenlängen der Nanoröhrenemission.

Die Wellenlängen (oder Farbe) der Photonen, die in den meisten anderen Ansätzen erzeugt wurden, waren für Telekommunikationsanwendungen zu kurz, in denen Photonen in optischen Schaltungen effizient manipuliert und transportiert werden müssen. Das Team fand heraus, dass durch die Auswahl eines Nanoröhrchens mit geeignetem Durchmesser die Einzelphotonenemission auf den wesentlichen Wellenlängenbereich der Telekommunikation abgestimmt werden konnte.

Die funktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhren haben bedeutende Aussichten für die weitere Entwicklung, bemerkte Doorn, einschließlich Fortschritte in der Funktionalisierungschemie; Integration in photonische, plasmonische und Metamaterialstrukturen zur weiteren Kontrolle der Quantenemissionseigenschaften; und Implementierung in elektrisch betriebene Vorrichtungen und optische Schaltungen für diverse Anwendungen.

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