Les particules de quelques nanomètres sont aujourd'hui à la pointe de la recherche scientifique. Ils se présentent sous différentes formes :tiges, sphères, cubes, vésicules, Des vers en forme de S et même des anneaux en forme de beignet. Ce qui les rend dignes d'une étude scientifique, c'est que, étant si petit, ils présentent des propriétés de mécanique quantique impossibles avec des objets plus gros.

Chercheurs du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'énergie des États-Unis (DOE) située au laboratoire national d'Argonne du DOE, ont contribué à une publication récemment Communication Nature document qui rapporte la cause d'une propriété quantique clé des nanoparticules de type beignet appelées "anneaux quantiques semi-conducteurs". Cette propriété peut trouver une application dans le stockage d'informations quantiques, la communication, et l'informatique dans les technologies futures.

Dans ce projet, les chercheurs du CNM ont collaboré avec des collègues de l'Université de Chicago, Université Ludwig Maximilian de Munich, Université d'Ottawa et Conseil national de recherches du Canada.

L'équipe a assemblé des anneaux circulaires en séléniure de cadmium, un semi-conducteur qui se prête à la croissance de nanoparticules en forme de beignet. Ces anneaux quantiques sont des structures bidimensionnelles, des matériaux cristallins composés de quelques couches d'atomes. L'avantage des semi-conducteurs est que lorsque les chercheurs les excitent avec un laser, ils émettent des photons.

"Si vous illuminez un émetteur de photons bidimensionnel avec un laser, vous vous attendez à ce qu'ils émettent de la lumière le long de deux axes, " dit Xuedan Ma, assistant scientifique au CNM. "Mais ce que vous attendez n'est pas nécessairement ce que vous obtenez. À notre grande surprise, ces anneaux bidimensionnels peuvent émettre de la lumière le long d'un axe."

L'équipe a observé cet effet en cassant la symétrie de rotation parfaite de la forme du beignet, ce qui les allonge légèrement. « Par cette brisure de symétrie, " dit Maman, "nous pouvons changer la direction de l'émission lumineuse. Nous pouvons ainsi contrôler la façon dont les photons sortent du beignet et obtenir un contrôle directionnel cohérent."

Parce que les photons de la lumière émettent à partir de ces anneaux dans une seule direction, plutôt que de s'étendre dans toutes les directions, les chercheurs peuvent régler cette émission pour collecter efficacement des photons uniques. Avec ce contrôle, les chercheurs peuvent intégrer des informations topologiques dans les photons, qui peuvent ensuite être utilisés comme messagers pour transporter des informations quantiques. Il peut même être possible d'exploiter ces photons codés pour la mise en réseau et le calcul quantiques.

"Si nous pouvons gagner encore plus de contrôle sur le processus de fabrication, on pourrait faire des nanoparticules avec différentes formes comme un trèfle avec plusieurs trous ou un rectangle avec un trou au centre, " a noté Matthew Otten, une boursière Maria Goeppert Mayer au CNM d'Argonne. "Puis, nous pourrions être en mesure d'encoder plus de types d'informations quantiques ou plus d'informations dans les nanoparticules."

"Je dois ajouter que la géométrie n'est pas le seul facteur à l'origine de cet effet quantique. La structure atomistique du matériau compte également, comme c'est souvent le cas dans les matériaux nanométriques, " dit Maman.

Un article basé sur l'étude, « Moments dipolaires de transition uniaxiale dans les anneaux quantiques semi-conducteurs causés par une rupture de symétrie de rotation, " est apparu récemment dans Communication Nature . En plus de Ma et Otten, les auteurs incluent Nicolai F. Hartmann, Igor Fedine, Dmitri Talapine, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray et Achim Hartschuh.