Nieuwe klasse van veelzijdige, hoogwaardige quantum dots klaargemaakt voor medische beeldvorming, quantum computing

Een nieuwe klasse van kwantumdots levert een stabiele stroom van enkele, spectraal afstembare infraroodfotonen onder omgevingsomstandigheden en bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot andere enkele fotonemitters. Deze doorbraak opent een reeks praktische toepassingen, waaronder kwantumcommunicatie, kwantummetrologie, medische beeldvorming en diagnostiek, en clandestiene etikettering.

“Het aantonen van een hoge zuiverheid van één foton in het infrarood heeft onmiddellijk nut in gebieden zoals de distributie van kwantumsleutels voor veilige communicatie”, zegt Victor Klimov, hoofdauteur van een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie door wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory.

Het Los Alamos-team heeft een elegante benadering ontwikkeld voor het synthetiseren van de colloïdale nanodeeltjesstructuren die zijn afgeleid van hun eerdere werk aan zichtbare lichtemitters op basis van een kern van cadmiumselenide omhuld in een cadmiumsulfide-omhulsel. Door een tussenlaag van kwiksulfide in de kern / schaal-interface in te voegen, veranderde het team de kwantumstippen in zeer efficiënte stralers van infrarood licht die kunnen worden afgestemd op een specifieke golflengte.

“Deze nieuwe synthese maakt een zeer nauwkeurige regeling op atomair niveau mogelijk van de dikte van de emitterende kwiksulfide-tussenlaag. Door deze te veranderen in stappen van een enkele atomaire laag, kunnen we de golflengte van het uitgezonden licht afstemmen in discrete gekwantiseerde sprongen, en verder pas het op een meer continue manier aan door de grootte van de cadmiumselenidekern af te stemmen ”, zegt Vladimir Sayevich, de hoofdchemicus van dit project.

Deze nieuwe structuren zijn veel beter dan bestaande nabij-infrarode kwantumstippen en vertonen “knippervrije” emissie op een enkel puntniveau, een bijna perfecte zuiverheid van een enkel foton bij kamertemperatuur (die “kwantumlicht” produceert) en hoge emissiesnelheden. Ze gedragen zich buitengewoon goed bij zowel optische als elektrische excitatie.

Enkele fotonen kunnen worden gebruikt als qubits in quantum computing. In een cyberbeveiligingsapplicatie kunnen afzonderlijke fotonen een computernetwerk beschermen door middel van kwantumsleuteldistributie, wat ultieme beveiliging biedt via “onbreekbare” kwantumprotocollen.

Bio-imaging is een andere belangrijke toepassing. De emissiegolflengte van de nieuw ontwikkelde kwantumdots valt binnen het nabij-infrarode biotransparantievenster, waardoor ze zeer geschikt zijn voor diepe weefselbeeldvorming.

Mensen kunnen infraroodlicht niet zien, maar veel moderne technologieën vertrouwen erop, van nachtzichtapparatuur en teledetectie tot telecommunicatie en biomedische beeldvorming. Infraroodlicht is ook een grote speler in opkomende kwantumtechnologieën die afhankelijk zijn van de dualiteit van lichtdeeltjes, of fotonen, die zich ook als golven kunnen gedragen. Om deze kwantumeigenschap te exploiteren, zijn bronnen van “kwantumlicht” nodig die licht uitzenden in de vorm van individuele kwantums, of fotonen.

“Er zit ook een cool chemisch element in het bereiken van een enkele atomaire laagnauwkeurigheid bij het maken van deze punten”, zegt Zack Robinson, het projectlid dat zich richt op kwantumdotspectroscopie. “De dikte van de emitterende kwiksulfide-tussenlaag is identiek over alle punten in de monsters. Dat is heel uniek, vooral voor een materiaal dat chemisch in een beker is gemaakt.”

Klimov voegde eraan toe: “Dit is echter slechts de eerste stap. Om optimaal gebruik te kunnen maken van ‘kwantumlicht’ moet men het niet onderscheiden van fotonen bereiken, dat wil zeggen, ervoor zorgen dat alle uitgezonden fotonen kwantummechanisch identiek zijn. Dit is een uiterst moeilijke taak, die we vervolgens in ons project zullen aanpakken. ”