Las partículas que son meros nanómetros de tamaño están a la vanguardia de la investigación científica actual. Vienen en muchas formas diferentes:varillas, esferas cubitos, vesículas, Gusanos en forma de S e incluso anillos en forma de rosquilla. Lo que los hace dignos de un estudio científico es que, siendo tan diminuto, exhiben propiedades mecánicas cuánticas que no son posibles con objetos más grandes.

Investigadores del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, han contribuido a una publicación reciente Comunicaciones de la naturaleza documento que informa la causa detrás de una propiedad cuántica clave de nanopartículas en forma de rosquilla llamadas "anillos cuánticos semiconductores". Esta propiedad puede encontrar aplicación en el almacenamiento de información cuántica, comunicación, e informática en tecnologías futuras.

En este proyecto, los investigadores del CNM colaboraron con colegas de la Universidad de Chicago, Universidad Ludwig Maximilian de Munich, Universidad de Ottawa y Consejo Nacional de Investigación de Canadá.

El equipo ensambló anillos circulares hechos de seleniuro de cadmio, un semiconductor que se presta al crecimiento de nanopartículas en forma de rosquilla. Estos anillos cuánticos son estructuras bidimensionales:materiales cristalinos compuestos por unas pocas capas de átomos. La ventaja de los semiconductores es que cuando los investigadores los excitan con un láser, emiten fotones.

"Si ilumina un emisor de fotones bidimensional con un láser, esperas que emitan luz a lo largo de dos ejes, "dijo Xuedan Ma, científico asistente del CNM. "Pero lo que esperas no es necesariamente lo que obtienes. Para nuestra sorpresa, estos anillos bidimensionales pueden emitir luz a lo largo de un eje ".

El equipo observó este efecto al romper la simetría rotacional perfecta de la forma de rosquilla, haciendo que se alarguen ligeramente. "Por esta simetría rompiendo, "dice mamá, "podemos cambiar la dirección de la emisión de luz. De este modo podemos controlar cómo salen los fotones de la rosquilla y lograr un control direccional coherente".

Debido a que los fotones de la luz emitida desde estos anillos en una sola dirección, en lugar de extenderse en todas direcciones, los investigadores pueden ajustar esta emisión para recolectar fotones individuales de manera efectiva. Con este control, los investigadores pueden integrar información de topología en los fotones, que luego pueden usarse como mensajeros para transportar información cuántica. Incluso puede ser posible explotar estos fotones codificados para redes y computación cuántica.

"Si podemos obtener un control aún mayor sobre el proceso de fabricación, podríamos hacer nanopartículas con diferentes formas como un trébol con múltiples agujeros o un rectángulo con un agujero en el centro, "señaló Matthew Otten, becario Maria Goeppert Mayer en el CNM de Argonne. "Luego, podríamos codificar más tipos de información cuántica o más información en las nanopartículas ".

"Debo agregar que la geometría no es el único factor que causa este efecto cuántico. La estructura atomística del material también cuenta, como suele ser el caso de los materiales a nanoescala, "dijo mamá.

Un artículo basado en el estudio, "Momentos dipolares de transición uniaxial en anillos cuánticos de semiconductores causados ​​por simetría rotacional rota, "apareció recientemente en Comunicaciones de la naturaleza . Además de Ma y Otten, los autores incluyen Nicolai F. Hartmann, Igor Fedin, Dmitri Talapin, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray y Achim Hartschuh.