(PhysOrg.com) - Usando una nanoestructura híbrida única, Investigadores de la Universidad de Maryland han demostrado un nuevo tipo de interacción luz-materia y también han demostrado el primer control cuántico completo del espín qubit dentro de nanoestructuras coloidales muy pequeñas (unos pocos nanómetros). dando así un paso clave en los esfuerzos por crear una computadora cuántica.

Publicado en la edición del 1 de julio de Naturaleza , su investigación se basa en el trabajo del mismo equipo de investigación de Maryland publicado en marzo en la revista Ciencias (26-3-10). Según los autores y expertos externos, Los nuevos hallazgos avanzan aún más la promesa que estas nuevas nanoestructuras mantienen para la computación cuántica y para nuevas, más eficiente, tecnologías de generación de energía (como células fotovoltaicas), así como para otras tecnologías que se basan en interacciones luz-materia como biomarcadores.

"El verdadero avance es que usamos una nueva tecnología de la ciencia de los materiales para 'arrojar luz' sobre las interacciones luz-materia y la ciencia cuántica relacionada de formas que creemos que tendrán aplicaciones importantes en muchas áreas, particularmente conversión y almacenamiento de energía y computación cuántica, "dijo el investigador principal Min Ouyang, profesor asistente en el departamento de física y en el Maryland NanoCenter de la universidad. "De hecho, nuestro equipo ya está aplicando nuestra nueva comprensión de las interacciones luz-materia a nanoescala y el avance del control preciso de las nanoestructuras al desarrollo de un nuevo tipo de celda fotovoltaica que esperamos sea significativamente más eficiente en la conversión de luz en electricidad que las células actuales ".

Ouyang y los otros miembros del equipo de la Universidad de Maryland, el científico investigador Jiatao Zhang, y los estudiantes Kwan Lee y Yun Tang, han creado un proceso pendiente de patente que utiliza termodinámica química para producir, en solución, una amplia gama de diferentes materiales combinados, cada uno con una capa de semiconductor monocristalino estructuralmente perfecto alrededor de un núcleo de metal. En la investigación publicada en Nature de esta semana, los investigadores utilizaron nanoestructuras híbridas de metal / semiconductores desarrolladas a través de este proceso para demostrar experimentalmente el "acoplamiento resonante sintonizable" entre un plasmón (del núcleo metálico) y un excitón (del caparazón del semiconductor), con una mejora resultante del efecto óptico Stark. Este efecto se descubrió hace unos 60 años en estudios de la interacción entre la luz y los átomos que mostraron que la luz se puede aplicar para modificar los estados cuánticos atómicos.

"Las heteronanoestructuras de semiconductores de metal se han investigado intensamente en los últimos años con los componentes metálicos utilizados como antenas a nanoescala para acoplar la luz de manera mucho más efectiva dentro y fuera de la nanoescala de semiconductores, emisores de luz, "dijo Garnett W. Bryant, líder del Grupo de Procesos Cuánticos y Metrología de la División de Física Atómica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. "La investigación dirigida por Min Ouyang muestra que una nueva heteronanoestructura con el semiconductor que rodea la nanoantena metálica puede lograr los mismos objetivos. Estas estructuras son muy simples y mucho más fáciles de hacer que lo que se intentó anteriormente". abriendo enormemente posibilidades de aplicación. Más importante, han demostrado que el acoplamiento luz / materia se puede manipular para lograr un control cuántico coherente de los nanoemisores semiconductores, un requisito clave para el procesamiento de información cuántica, "dijo Bryant, quien también es investigador en el Joint Quantum Institute, una asociación entre el NIST y la Universidad de Maryland, que es uno de los principales centros de investigación en ciencia cuántica del mundo.

Ouyang y sus colegas están de acuerdo en que sus nuevos hallazgos fueron posibles gracias a sus nanoestructuras híbridas cristal-metal, que ofrecen una serie de beneficios sobre las estructuras epitaxiales utilizadas para trabajos anteriores. La epitaxia ha sido la forma principal de crear semiconductores monocristalinos y dispositivos relacionados. La nueva investigación destaca las nuevas capacidades de estas nanoestructuras de UM, fabricado con un proceso que evita dos limitaciones clave de la epitaxia:un límite en el espesor de la capa semiconductora de deposición y un requisito rígido para la "correspondencia de celosía".

Los científicos de Maryland señalan que, además de las capacidades mejoradas de sus nanoestructuras híbridas, el método para producirlos no requiere una sala limpia y los materiales no tienen que formarse al vacío, de la misma manera que lo hacen los hechos por epitaxia convencional. "Por lo tanto, también sería mucho más sencillo y económico para las empresas producir en masa productos basados ​​en nuestras nanoestructuras híbridas, "Dijo Ouyang.