Des communications vraiment sécurisées. Pas d'écoute. C'est la promesse de la communication quantique. L'un des défis pour en faire une réalité est la lumière. Nous avons besoin d'un moyen efficace de créer des paquets de lumière, appelés photons. Maintenant, les scientifiques ont identifié comment les nanotubes de carbone modifiés émettent des paires de photons. Les expériences et la théorie montrent que les paires de photons sont le résultat de la capture et de la recombinaison de deux excitons (paires électron-trou). Les preuves suggèrent qu'il s'agit d'un processus efficace pour générer des paires de photons.

Les recherches de l'équipe montrent comment produire efficacement des photons à l'aide de minuscules tubes de carbone. Une telle production pourrait conduire à des moyens ultra-sécurisés de faire passer des messages (communications quantiques). L'approche pourrait aussi changer les lasers, utilisé dans tout, de l'électronique grand public aux instruments scientifiques. Un autre attrait est que la modification des nanotubes de carbone implique un simple dépôt de films minces de silicium ou d'oxyde d'aluminium. Cela rend les tubes compatibles avec les technologies microélectroniques existantes. Il ouvre également une voie pour développer des circuits intégrés photoniques.

Réglage des propriétés électroniques des nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT), un processus connu sous le nom de dopage, apparaît comme un moyen efficace d'améliorer les propriétés d'émission de ces nanotubes et d'introduire de nouvelles fonctionnalités. Ces états dopants des SWCNT sont un nouveau type de source de lumière quantique qui peut imiter les ions piégés à température ambiante. Alors que la plupart des états dopants émettent un photon par cycle d'excitation et peuvent donc servir d'émetteurs de photons uniques, certains états dopants émettent des photons par paires. Cela peut se produire de deux manières :les paires de photons pourraient provenir de deux états dopants situés à l'intérieur du spot d'excitation laser ou de la recombinaison successive de deux excitons dans un même défaut. Cette dernière recherche de scientifiques du Center for Integrated Nanotechnologies et de leurs collaborateurs du Los Alamos National Laboratory identifie ce dernier processus comme la partie responsable et clarifie davantage les détails du processus.

Les chercheurs ont effectué une expérience de corrélation de photons de second ordre à synchronisation temporelle pour séparer les photons émis par les désintégrations rapides d'états multi-excitons et ceux émis par la désintégration lente associée à des états d'excitons uniques. L'expérience a montré que l'émission de paires de photons provient de deux captures et recombinaisons successives d'excitons à un état de dopant d'oxygène solitaire. D'autres preuves expérimentales et analyses théoriques ont montré que ce type de processus d'émission de paires de photons peut se produire avec une efficacité aussi élevée que 44% de l'émission de photons uniques. Le principal facteur limitant pour l'efficacité de ce processus est l'annihilation des excitons lors de la collision (annihilation exciton-exciton). Alors que l'émission multi-excitons n'est pas souhaitable pour la génération de photons uniques, ce travail ouvre une nouvelle voie passionnante vers les lasers à base de nanotubes de carbone et la génération de photons intriqués. Globalement, ce travail met en évidence la richesse des processus multi-excitoniques associés aux états dopants.