(PhysOrg.com) -- En utilisant une nanostructure hybride unique, Des chercheurs de l'Université du Maryland ont montré un nouveau type d'interaction lumière-matière et ont également démontré le premier contrôle quantique complet du spin qubit au sein de très petites nanostructures colloïdales (quelques nanomètres), franchissant ainsi une étape clé dans les efforts visant à créer un ordinateur quantique.

Publié dans le numéro du 1er juillet de La nature , leurs recherches s'appuient sur les travaux de la même équipe de recherche du Maryland publiés en mars dans la revue Science (3-26-10). Selon les auteurs et des experts extérieurs, les nouvelles découvertes font encore progresser la promesse que ces nouvelles nanostructures tiennent pour l'informatique quantique et pour de nouvelles, plus efficace, les technologies de production d'énergie (telles que les cellules photovoltaïques), ainsi que pour d'autres technologies basées sur les interactions lumière-matière comme les biomarqueurs.

« La véritable percée est que nous utilisons une nouvelle technologie de la science des matériaux pour « faire la lumière » sur les interactions lumière-matière et la science quantique associée d'une manière qui, selon nous, aura des applications importantes dans de nombreux domaines, notamment la conversion et le stockage d'énergie et l'informatique quantique, " a déclaré le chercheur principal Min Ouyang, professeur adjoint au département de physique et au Maryland NanoCenter de l'université. "En réalité, notre équipe applique déjà notre nouvelle compréhension des interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique et l'avancement du contrôle précis des nanostructures au développement d'un nouveau type de cellule photovoltaïque qui, selon nous, sera beaucoup plus efficace pour convertir la lumière en électricité que les cellules actuelles. »

Ouyang et les autres membres de l'équipe de l'Université du Maryland - le chercheur Jiatao Zhang, et les étudiants Kwan Lee et Yun Tang - ont créé un processus en instance de brevet qui utilise la thermodynamique chimique pour produire, en solution, une large gamme de matériaux de combinaison différents, chacun avec une coque de semi-conducteur monocristallin structurellement parfait autour d'un noyau métallique. Dans la recherche publiée dans Nature de cette semaine, les chercheurs ont utilisé des nanostructures hybrides métal/semi-conducteur développées grâce à ce processus pour démontrer expérimentalement un « couplage résonant accordable » entre un plasmon (à partir d'un noyau métallique) et un exciton (à partir d'une coque semi-conductrice), avec une amélioration résultante de l'effet Optical Stark. Cet effet a été découvert il y a environ 60 ans dans des études sur l'interaction entre la lumière et les atomes qui ont montré que la lumière peut être appliquée pour modifier les états quantiques atomiques.

"Les hétéronanostructures métal-semi-conducteur ont été étudiées de manière intensive au cours des dernières années avec les composants métalliques utilisés comme antennes nanométriques pour coupler la lumière beaucoup plus efficacement dans et hors du semi-conducteur à l'échelle nanométrique, émetteurs de lumière, " a déclaré Garnett W. Bryant, chef du groupe des procédés quantiques et de la métrologie de la division de physique atomique de l'Institut national des normes et de la technologie. "La recherche menée par Min Ouyang montre qu'une nouvelle hétéronanostructure avec le semi-conducteur entourant la nanoantenne métallique peut atteindre les mêmes objectifs. De telles structures sont très simples et beaucoup plus faciles à réaliser que celles tentées précédemment, ouvrant grandement les possibilités d'application. Plus important encore, ils ont démontré que le couplage lumière/matière peut être manipulé pour obtenir un contrôle quantique cohérent des nanoémetteurs semi-conducteurs, une exigence clé pour le traitement de l'information quantique, " a déclaré Bryant, qui est également chercheur au Joint Quantum Institute, un partenariat entre le NIST et l'Université du Maryland qui est l'un des principaux centres mondiaux de recherche en science quantique.

Ouyang et ses collègues conviennent que leurs nouvelles découvertes ont été rendues possibles par leurs nanostructures hybrides cristal-métal, qui offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux structures épitaxiales utilisées pour les travaux antérieurs. L'épitaxie a été le principal moyen de créer des semi-conducteurs monocristallins et des dispositifs connexes. La nouvelle recherche met en évidence les nouvelles capacités de ces nanostructures UM, fabriqué avec un processus qui évite deux contraintes clés de l'épitaxie - une limite sur l'épaisseur de la couche de semi-conducteur de dépôt et une exigence rigide pour "l'appariement de réseau".

Les scientifiques du Maryland notent que, en plus des capacités améliorées de leurs nanostructures hybrides, le procédé de fabrication ne nécessite pas d'installation en salle blanche et les matériaux ne doivent pas être mis en forme sous vide, comme le font ceux réalisés par épitaxie conventionnelle. « Ainsi, il serait également beaucoup plus simple et moins coûteux pour les entreprises de produire en masse des produits basés sur nos nanostructures hybrides, " dit Ouyang.