Le Laboratoire national de Los Alamos a produit le premier matériau connu capable d'émettre un seul photon à température ambiante et aux longueurs d'onde des télécommunications. Ces émetteurs de lumière quantique à nanotubes de carbone peuvent être importants pour le traitement de l'information quantique optique et la sécurité de l'information, tout en étant d'un grand intérêt pour la détection ultrasensible, les besoins en métrologie et en imagerie et en tant que sources de photons pour des avancées fondamentales dans les études d'optique quantique. La recherche a été rapportée aujourd'hui dans le journal Photonique de la nature .

"En modifiant chimiquement la surface des nanotubes pour introduire de manière contrôlée des défauts électroluminescents, nous avons développé des nanotubes de carbone comme source de photons uniques, travailler à la mise en œuvre d'émetteurs quantiques à l'état de défaut fonctionnant à température ambiante et démontrant leur fonction dans des longueurs d'onde technologiquement utiles, " a déclaré Stephen Doorn, chef de projet à Los Alamos et membre du Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Idéalement, un seul émetteur de photons fournira à la fois un fonctionnement à température ambiante et une émission aux longueurs d'onde des télécommunications, mais cela est resté un objectif insaisissable. Jusqu'à maintenant, les matériaux qui pourraient agir comme des émetteurs de photons uniques dans ces longueurs d'onde ont dû être refroidis à des températures d'hélium liquide, les rendant beaucoup moins utiles pour des applications ultimes ou à des fins scientifiques, " il a dit.

Une percée critique dans le travail sur les nanotubes du CINT a été la capacité de l'équipe à forcer le nanotube à émettre de la lumière à partir d'un seul point le long du tube, uniquement sur un site défectueux. La clé était de limiter les niveaux de défauts à un par tube. Un tube, un défaut, un photon. . . . En n'émettant de lumière qu'un seul photon à la fois, on peut alors contrôler les propriétés quantiques des photons pour le stockage, manipulation et transmission d'informations.

Les chercheurs du CINT ont pu atteindre ce degré de maîtrise grâce à la chimie à base de diazonium, un processus qu'ils ont utilisé pour lier une molécule organique à la surface du nanotube pour servir de défaut. La chimie de la réaction du diazonium a permis une introduction contrôlable de défauts à base de benzène avec une sensibilité réduite aux fluctuations naturelles du milieu environnant. Surtout, la polyvalence de la chimie du diazonium a également permis aux chercheurs d'accéder à l'accordabilité inhérente aux longueurs d'onde d'émission des nanotubes.

Les longueurs d'onde (ou couleur) des photons produits dans la plupart des autres approches étaient trop courtes pour les applications de télécommunications, où les photons doivent être efficacement manipulés et transportés dans des circuits optiques. L'équipe a découvert qu'en choisissant un nanotube de diamètre approprié, l'émission de photons uniques pourrait être réglée sur la région de longueur d'onde essentielle des télécommunications.

Les nanotubes de carbone fonctionnalisés ont des perspectives de développement importantes, Doorn a noté, y compris les avancées en chimie de fonctionnalisation; intégration en photonique, structures plasmoniques et métamatériaux pour un contrôle plus poussé des propriétés d'émission quantique ; et la mise en œuvre dans des dispositifs à commande électrique et des circuits optiques pour diverses applications.