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科学家们将量子光学网络向现实迈进了一步

2019-07-04 09:33:35国外科研

科学家们已经将量子光学网络向现实迈进了一步。精确控制纳米尺度的光和物质相互作用的能力可以帮助这样的网络比电网更快速和安全地传输更大量的数据。

研究人员在能源部(DOE)阿贡国家实验室的美国能源部的一个研究小组,芝加哥和西北大学的大学已经成功地克服测量如何纳米片,它由硒化镉的二维层的显著挑战,与光相互作用三个维度。该领域的进展可以增强量子光网络的运行。

“为了将纳米片整合到光子器件中,我们必须了解它们如何与光相互作用或如何发光,”美国能源部科学用户办公室纳米材料中心(CNM)的纳米科学家Xuedan Ma说。阿贡的设施。Ma和六位合着者在题为“半导体纳米片中各向同性光学跃迁偶极子的各向异性光致发光”的论文中发表了他们在Nano Letters中的发现。

“该项目最终的目标是量子材料的独特光学特性以及它们发射单光子的事实,”同时担任CNM纳米光子学和生物功能结构小组负责人的共同作者Gary Wiederrecht说。“你必须能够将量子发射器与光学网络集成在一起。”

像这样的单光子源是长距离量子通信和信息处理中的应用所需要的。这些源将用作量子光学网络中的信号载体,作为单光子(光粒子)发光。单光子是许多量子信息科学应用的理想选择,因为它们以光速传播并且在长距离上失去很小的动量。

纳米片在吸收光时形成称为激子的亚原子粒子状实体。纳米片的垂直维度是激子经受量子限制的地方,这种现象决定了它们的能级并将电子包裹成离散的能级。

本研究中的一些纳米片具有非常均匀的厚度,由化学教授Dmitri Talapin的芝加哥大学实验室合成。Talapin是该论文的另一位合着者,并与Argonne联合任命。

“他们对纳米片厚度进行了精确的原子级控制,”Ma对Talapin的研究小组说。

纳米片约为1.2纳米厚(跨越四层原子),宽度在10到40纳米之间。一张纸比一堆超过40,000个纳米片更厚。这使得在三维空间中测量材料与光的相互作用变得更加困难。

通过CNM提供的特殊样品制备和分析功能,Ma和她的同事能够利用二维纳米片材料揭示它们如何在三维空间中与光相互作用。

过渡偶极矩是在半导体和有机分子上运行的重要三维参数。“它基本上定义了分子或半导体如何与外部光相互作用,”马说。

但是,在与半导体纳米片一样平坦的材料中难以测量过渡偶极子的垂直分量。研究人员通过使用CNM纳米加工洁净室的干蚀刻工具解决了这一困难,通过激光扫描和显微镜对纳米片放置在其上的平板载玻片进行了轻微粗糙处理。

“粗糙度不是很大,以至于它们会扭曲激光束,但足以引入纳米片的随机分布,”马解释说。纳米片的随机取向允许研究人员通过特殊的光学方法评估材料的三维偶极特性,以在CNM的独特光学显微镜内创建环形激光束。

该团队的下一步是将纳米片材料与光子器件集成,以传输和处理量子信息。“我们已经朝着这个方向前进,”马说。