最新成果：量子光學網路將更加接近現實！

科學家們使量子光學網路更接近現實，在納米尺度上精確控制光和物質相互作用的能力可以幫助這樣的網路比電子網路更快、更安全地傳輸更多的數據。美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)、芝加哥大學(University of Chicago)和西北大學(Northwestern University)的一組研究人員成功克服了測量納米顆粒如何與三維光相互作用的重大挑戰。納米顆粒由二維硒化鎘層構成，這一領域的進展可以加強量子光學網路的運作。美國能源部阿貢科學用戶中心納米材料中心(CNM)納米科學家馬學丹說：為了將納米顆粒集成到光子器件中，必須了解它們如何與光相互作用或如何發光。」

博科園-科學科普：Ma和六名合著者在《納米快報》上發表了一篇題為《半導體納米粒中各向異性光學躍遷偶極體的各向異性光致發光》（Anisotropic photoluminescence from isotropic optical transition dipoles in semiconductor nanoplatelets）的論文。加里·維德雷希特(Gary Wiederrecht)說：該項目的最終目標是量子材料獨特光學特性，以及它們發射單個光子的事實，必須能夠將量子發射器與光學網路整合起來。像這樣的單光子源在長距離量子通信和信息處理中的應用是必需的。這些光源將作為量子光學網路中的信號載體，以單光子(光粒子)的形式發射光。單光子是許多量子信息科學應用的理想選擇，因為它們以光速運動，在長距離中幾乎沒有動量損失。

美國阿貢大學、芝加哥大學和西北大學的科學家們通過他們最新的研究，將量子光學網路向現實邁進了一步。圖為阿貢團隊。從左至右:馬學丹，本傑明·迪羅爾，理查德·夏勒和加里·維德雷希特。圖片：Argonne National Laboratory

當納米粒子吸收光線時，它們會形成亞原子粒子樣的激子，納米粒子的垂直維度是激子受到量子限制的地方，量子限制是一種決定其能級並將電子包裹成離散能級的現象。在這項研究中，一些厚度均勻的納米顆粒是在芝加哥大學化學教授Dmitri Talapin的實驗室中合成（Talapin是這篇論文的另一位合著者，他與Argonne有一個共同約定），他們對納米血小板厚度有精確的原子水平控制。這些納米顆粒大約1.2納米厚(跨越四層原子)，10到40納米寬。一張紙比40000多個納米顆粒的疊加還要厚。這使得在三維空間中測量材料與光的相互作用變得更加困難。研究人員通過CNM提供的特殊樣品製備和分析能力，成功地「欺騙」了二維納米血小板材料，揭示了它們如何在三維空間與光相互作用。

過渡偶極矩是半導體和有機分子的一個重要的三維參數，基本上定義了分子或半導體如何與外部光相互作用。但是在半導體納米薄片這樣平坦的材料中，過渡偶極子的垂直分量很難測量。研究人員通過使用CNM納米製造無塵室的干蝕刻工具，對放置納米顆粒的平板玻片進行激光掃描和顯微鏡近距離觀察，從而解決了這一難題。粗糙度不會大到使激光束扭曲，但足以引入納米顆粒的隨機分布。納米顆粒的隨機方向使研究人員能夠通過特殊光學方法來評估材料的三維偶極特性，從而在CNM上的獨特光學顯微鏡下製造出一束甜甜圈形狀的激光束。該團隊的下一步是將納米血小板材料與光子器件集成，用於傳輸和處理量子信息，該團隊研究人員已經在朝這個方向前進了！

博科園-科學科普｜Steve Koppes, US Department of Energy

研究/來自：美國能源部

參考期刊文獻:《Nano Letters》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00347

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