Les scientifiques ont rapproché les réseaux d'optique quantique de la réalité. La capacité de contrôler avec précision les interactions de la lumière et de la matière à l'échelle nanométrique pourrait aider un tel réseau à transmettre de plus grandes quantités de données plus rapidement et en toute sécurité qu'un réseau électrique.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), l'Université de Chicago et l'Université Northwestern ont surmonté avec succès les défis importants de mesurer comment les nanoplaquettes, qui se composent de couches bidimensionnelles de séléniure de cadmium, interagir avec la lumière en trois dimensions. Des avancées dans ce domaine pourraient améliorer le fonctionnement des réseaux d'optique quantique.

"Afin d'intégrer les nanoplaquettes dans, dire, appareils photoniques, nous devons comprendre comment ils interagissent avec la lumière ou comment ils émettent de la lumière, " a noté Xuedan Ma, nanoscientifique au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne. Ma et six co-auteurs ont publié leurs résultats dans Lettres nano dans un article intitulé « Photoluminescence anisotrope à partir de dipôles de transition optique isotropes dans des nanoplaquettes semi-conductrices ».

« Le projet cible à terme les propriétés optiques uniques des matériaux quantiques et le fait qu'ils émettent des photons uniques, " a déclaré Gary Wiederrecht, un co-auteur qui dirige également le groupe nanophotonique et structures biofonctionnelles du CNM. "Il faut pouvoir intégrer l'émetteur quantique aux réseaux optiques."

De telles sources de photons uniques sont nécessaires pour les applications dans les communications quantiques à longue distance et le traitement de l'information. Ces sources, qui serviraient de porteurs de signaux dans les réseaux optiques quantiques, émettent de la lumière sous forme de photons uniques (particules lumineuses). Les photons uniques sont idéaux pour de nombreuses applications de la science de l'information quantique, car ils se déplacent à la vitesse de la lumière et perdent peu de vitesse sur de longues distances.

Les nanoplaquettes forment des entités semblables à des particules subatomiques appelées excitons lorsqu'elles absorbent la lumière. La dimension verticale des nanoplaquettes est l'endroit où les excitons subissent un confinement quantique, un phénomène qui détermine leurs niveaux d'énergie et répartit les électrons en niveaux d'énergie discrets.

Certaines des nanoplaquettes pour cette recherche, qui ont une épaisseur remarquablement uniforme, ont été synthétisés dans le laboratoire de l'Université de Chicago du professeur de chimie Dmitri Talapin. Talapin est un autre co-auteur de l'article et a un rendez-vous conjoint avec Argonne.

"Ils ont un contrôle précis au niveau atomique de l'épaisseur des nanoplaquettes, " a déclaré Ma à propos du groupe de recherche de Talapin.

Les nanoplaquettes ont une épaisseur d'environ 1,2 nanomètre (couvrant quatre couches d'atomes) et une largeur comprise entre 10 et 40 nanomètres. Un morceau de papier serait plus épais qu'une pile de plus de 40, 000 nanoplaquettes. Cela rend plus difficile la mesure des interactions du matériau avec la lumière en trois dimensions.

Ma et ses collègues ont réussi à tromper le matériau nanoplaquette bidimensionnel en révélant comment ils interagissent avec la lumière en trois dimensions via les capacités spéciales de préparation et d'analyse d'échantillons disponibles au CNM.

Le moment dipolaire de transition est un paramètre tridimensionnel important opérant sur les semi-conducteurs et les molécules organiques. « Il définit, essentiellement, comment la molécule ou le semi-conducteur interagit avec la lumière extérieure, " dit Maman.

Mais la composante verticale du dipôle de transition est difficile à mesurer dans un matériau aussi plat que les nanoplaquettes semi-conductrices. Les chercheurs ont résolu cette difficulté en utilisant les outils de gravure à sec de la salle blanche de nanofabrication du CNM pour rendre légèrement rugueux les lames de verre plat sur lesquelles les nanoplaquettes sont placées pour un examen approfondi par balayage laser et microscopie.

"La rugosité n'est pas si grande qu'ils déforment un faisceau laser, mais suffisant pour introduire des distributions aléatoires des nanoplaquettes, ", a expliqué Ma. Les orientations aléatoires des nanoplaquettes ont permis aux chercheurs d'évaluer les propriétés dipolaires tridimensionnelles du matériau par des méthodes optiques spéciales pour créer un faisceau laser en forme de beignet dans un microscope optique unique au CNM.

La prochaine étape de l'équipe consiste à intégrer les matériaux nanoplaquettaires avec des dispositifs photoniques pour transmettre et traiter l'information quantique. "Nous allons déjà dans cette direction, " dit Maman.