Nanolinten onthullen een potentiële lichtbron voor kwantumtechnologieën

Experimenten uitgevoerd aan de Montana State University in samenwerking met Columbia University en het Honda Research Institute hebben geresulteerd in de emissie van afzonderlijke lichtfotonen in een nieuw type kwantummateriaal – een prestatie die zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van regelbare lichtbronnen voor gebruik in kwantumtechnologie. technologieën.

Een uitgebreid artikel over de doorbraak was gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie. Het beschrijft ultrakleine, tweedimensionale, lintvormige materialen van één atoom dik en tientallen atomen breed – ongeveer duizend keer smaller dan de breedte van een mensenhaar.

De nanolinten werden gekweekt door het Honda Research Institute, uitgerekt over gespecialiseerde oppervlakken ontwikkeld door Columbia om de emissie van fotonen te stimuleren, en vervolgens gemanipuleerd en getest door het MSU-team, dat de kenmerken van de nanolinten analyseerde en beschreef, inclusief hun vermogen om afzonderlijke fotonen uit te zenden.

“Toen de Columbia- en HRI-teams ons benaderden, waren we erg enthousiast om het nieuwe systeem te onderzoeken”, zegt Nicholas Borys, universitair hoofddocent bij MSU’s Department of Physics aan het College of Letters and Science en associate director van de MonArk NSF Quantum Foundry bij MSU. . “Deze eerste experimenten onthulden dat microscopisch kleine delen van het materiaal dat door het Columbia-team was ontwikkeld, in staat waren enkele fotonen licht uit te zenden, wat een veel grotere inspanning opleverde om het systeem verder te ontwikkelen.”

De MonArk NSF Quantum Foundry is een partnerschap tussen MSU en de Universiteit van Arkansas. Het biedt wetenschappers toegang tot geavanceerde productie- en meetinstrumenten voor de studie van 2D-materialen voor kwantumtechnologieën. Met deze tools kunnen onderzoekers snel nieuwe materialen verwerken, hun eigenschappen en gedrag meten en hun prestaties testen in modelkwantumapparaten.

Driedimensionale materialen, opgebouwd uit gestapelde lagen atomen, vertonen verschillende eigenschappen, zoals thermische en elektrische geleidbaarheid of – in dit geval – het vermogen om afzonderlijke fotonen tegelijk uit te zenden. Tweedimensionale materialen zijn enkele atomenlagen die het gedrag behouden dat ze vertonen in hun 3D-vormen, maar met verbeterde eigenschappen die naar voren komen omdat ze atomair dun zijn.

Hoewel bekend was dat het vermogen om afzonderlijke fotonen tegelijk uit te zenden voorkomt in grote lagen 2D-materiaal, zei Borys dat de waarneming van het projectteam de eerste demonstratie was dat dit ook voorkomt in deze veel kleinere lintstructuren.

Avetik Harutyunyan, senior hoofdwetenschapper van HRI, zei: “Onze technologie biedt een nieuw pad voor de synthese van kwantum nanolinten met nauwkeurige breedtecontrole, waarbij gebruik wordt gemaakt van hun unieke mechanische en elektronische eigenschappen als een enkele fotonlichtbron om veilige communicatie te realiseren die bekend staat als kwantumcommunicatie. “

De medewerkers aan dit project waren in staat informatie te coderen over een stroom individuele fotonen die door het nieuwe nanolintmateriaal werden uitgezonden. Ze zeggen dat dergelijke stromen kunnen worden gebruikt om gecodeerde informatie te creëren en te distribueren tussen geselecteerde zenders en ontvangers. Die communicatie zou veilig zijn, voegde ze eraan toe, omdat elke poging om de communicatie af te luisteren zou interfereren met de kwantumtoestanden die door de ontvanger worden gereguleerd, waardoor fouten zouden worden geïntroduceerd die onmiddellijk konden worden gedetecteerd.

Samuel Wyss, co-auteur van het onlangs gepubliceerde artikel en een van de twee MSU-promovendi die werkten aan de manipulatie van de 2D-materialen op nanoschaal, zei dat deze nanolinten anders zijn dan alle andere materialen die tot nu toe zijn bestudeerd.

“Het bestuderen van de fundamentele fysica en deze interacties in 2D-halfgeleiders zal ons in staat stellen deze materialen te ontwikkelen voor nieuwe elektronische apparaten en ongeziene en ongedachte toepassingen”, aldus Wyss.

Borys zei dat de samenwerking ongeveer tweeënhalf jaar geleden begon, toen Columbia en HRI MonArk vroegen om optische tests uit te voeren op nieuwe lintstructuren van 2D-materialen die Honda had laten groeien uit molybdeen en wolfraam. Nadat ze de materialen over de door het Columbia-team geleverde structuren hadden uitgerekt, bestudeerden de MSU-wetenschappers hoe rimpels in de linten in wisselwerking stonden met licht bij ultrakoude temperaturen rond het absolute nulpunt.

Borys zei dat de studie van de nanolinten van HRI waardevolle informatie heeft opgeleverd over 2D-materialen in het algemeen, en hij beschreef ze als “potentieel de hoogste kwaliteit van 2D-materialen die we hebben bestudeerd.” Hij zei dat het team hun fundamentele kwantumlimieten zal blijven testen.

“Er is een mogelijkheid om de linten verder te verkleinen”, zei hij. “We gaan veel inzicht krijgen in het genereren van één enkel foton van licht met 2D-materialen door deze nanolintstructuren te bestuderen.”

Het MonArk-team zal ook onderzoeken hoe uitdagingen met betrekking tot het gebruik van de materialen in de industrie kunnen worden overwonnen. Omdat de afzonderlijke fotonen snel en onvoorspelbaar worden uitgezonden, zei Borys dat het team zal onderzoeken of het mogelijk is om een ​​elektrische bron zoals een batterij te gebruiken als fotonenactiveringsschakelaar. MonArk test ook hoe de nanolinten presteren in een echt kwantumtechnologieplatform.

Borys schreef de leiding van Xufan Li van het Honda Research Institute en James Schuck van Columbia University toe voor het succes van de samenwerking.

“Het was zeer verrijkend en opwindend om met het team van het Honda Research Institute samen te werken”, zei hij. “Ze zijn erg gemotiveerd om te zien dat wetenschappelijke ontdekkingen snel worden vertaald in bruikbare technologieën. Het was een geweldige ervaring voor de studenten die aan het project werkten, met eerste resultaten die opwindend zijn voor kwantumtechnologieën.”