Los científicos han acercado las redes ópticas cuánticas un paso más a la realidad. La capacidad de controlar con precisión las interacciones de la luz y la materia a nanoescala podría ayudar a dicha red a transmitir grandes cantidades de datos de forma más rápida y segura que una red eléctrica.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad de Chicago y la Universidad Northwestern han superado con éxito los importantes desafíos de medir cómo las nanoplaquetas, que constan de capas bidimensionales de seleniuro de cadmio, interactuar con la luz en tres dimensiones. Los avances en esta área podrían mejorar el funcionamiento de las redes de óptica cuántica.

"Para integrar nanoplaquetas en, decir, dispositivos fotónicos, tenemos que entender cómo interactúan con la luz o cómo emiten luz, "señaló Xuedan Ma, nanocientífico del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Ma y seis coautores publicaron sus hallazgos en Nano letras en un artículo titulado "Fotoluminiscencia anisotrópica de dipolos de transición óptica isotrópica en nanoplaquetas semiconductoras".

"El proyecto apunta en última instancia a las propiedades ópticas únicas de los materiales cuánticos y al hecho de que emiten fotones individuales, "dijo Gary Wiederrecht, coautor que también lidera el grupo de nanofotónica y estructuras biofuncionales del CNM. "Tienes que poder integrar el emisor cuántico con las redes ópticas".

Las fuentes de fotón único como estas son necesarias para aplicaciones en comunicaciones cuánticas de larga distancia y procesamiento de información. Estas fuentes, que servirían como portadores de señales en redes ópticas cuánticas, emiten luz como fotones individuales (partículas de luz). Los fotones individuales son ideales para muchas aplicaciones de la ciencia de la información cuántica porque viajan a la velocidad de la luz y pierden poco impulso en largas distancias.

Las nanoplaquetas forman entidades subatómicas parecidas a partículas llamadas excitones cuando absorben luz. La dimensión vertical de las nanoplaquetas es donde los excitones sufren confinamiento cuántico, un fenómeno que determina sus niveles de energía y agrupa los electrones en niveles de energía discretos.

Algunas de las nanoplaquetas para esta investigación, que tienen un espesor notablemente uniforme, fueron sintetizados en el laboratorio de la Universidad de Chicago del profesor de química Dmitri Talapin. Talapin es otro coautor del artículo y tiene una cita conjunta con Argonne.

"Tienen un control preciso a nivel atómico del espesor de las nanoplaquetas, "Ma dijo sobre el grupo de investigación de Talapin.

Las nanoplaquetas tienen aproximadamente 1,2 nanómetros de espesor (que abarcan cuatro capas de átomos) y entre 10 y 40 nanómetros de ancho. Una hoja de papel sería más gruesa que una pila de más de 40, 000 nanoplaquetas. Esto hace que sea más difícil medir las interacciones del material con la luz en tres dimensiones.

Ma y sus colegas pudieron engañar al material de nanoplaquetas bidimensional para que revelara cómo interactúan con la luz en tres dimensiones a través de las capacidades especiales de preparación y análisis de muestras disponibles en el CNM.

El momento dipolar de transición es un parámetro tridimensional importante que opera en semiconductores y moléculas orgánicas. "Se define, básicamente, cómo interactúa la molécula o el semiconductor con la luz externa, "Dijo mamá.

Pero el componente vertical del dipolo de transición es difícil de medir en un material tan plano como las nanoplaquetas semiconductoras. Los investigadores resolvieron esa dificultad utilizando las herramientas de grabado en seco de la sala limpia de nanofabricación del CNM para raspar ligeramente los portaobjetos de vidrio plano sobre los que se colocan las nanoplaquetas para un examen más detallado mediante escaneo láser y microscopía.

"La rugosidad no es tan grande como para distorsionar un rayo láser, pero suficiente para introducir distribuciones aleatorias de las nanoplaquetas, Ma explicó. Las orientaciones aleatorias de las nanoplaquetas permitieron a los investigadores evaluar las propiedades dipolo tridimensionales del material mediante métodos ópticos especiales para crear un rayo láser en forma de rosquilla dentro de un microscopio óptico único en el CNM.

El siguiente paso del equipo es integrar los materiales de nanoplaquetas con dispositivos fotónicos para transmitir y procesar información cuántica. "Ya estamos avanzando en esta dirección, "Dijo mamá.