Cercetătorii dezvoltă o nouă sursă de lumină cuantică
de David L. Chandler pentru MIT News
Boston MA (SPX) 23 iunie 2023
Folosind materiale noi care au fost studiate pe scară largă ca potențiale noi fotovoltaice solare, cercetătorii de la MIT au arătat că nanoparticulele acestor materiale pot emite un flux de fotoni unici, identici.
În timp ce lucrarea este în prezent o descoperire fundamentală a capacităților acestor materiale, ar putea deschide în cele din urmă calea către noi computere cuantice bazate pe optic, precum și posibile dispozitive de teleportare cuantică pentru comunicare, spun cercetătorii. Rezultatele apar în jurnalul Nature Photonics, într-o lucrare a studentului absolvent Alexander Kaplan, profesor de chimie Moungi Bawendi și a altor șase la MIT.
Cele mai multe concepte pentru calculul cuantic folosesc atomi ultrareci sau spinurile electronilor individuali pentru a acționa ca biții cuantici, sau qubiții, care formează baza unor astfel de dispozitive. Dar acum aproximativ două decenii, unii cercetători au propus ideea de a folosi lumina în loc de obiecte fizice ca unități de bază de qubit. Printre alte avantaje, acest lucru ar elimina nevoia de echipamente complexe și costisitoare pentru a controla qubiții și pentru a introduce și extrage date din aceștia. În schimb, oglinzile obișnuite și detectoarele optice ar fi tot ce era nevoie.
„Cu acești fotoni de tip qubit”, explică Kaplan, „cu doar optica liniară „de uz casnic”, puteți construi un computer cuantic, cu condiția să aveți fotoni pregătiți corespunzător.”
Pregătirea acelor fotoni este cheia. Fiecare foton trebuie să se potrivească precis cu caracteristicile cuantice ale celui de dinainte și așa mai departe. Odată atinsă acea potrivire perfectă, „schimbarea de paradigmă cu adevărat mare se schimbă de la nevoia de optice foarte luxoase, echipamente foarte luxoase, la nevoie doar de echipamente simple. Lucrul care trebuie să fie special este lumina însăși.”
Apoi, explică Bawendi, ei iau acești fotoni unici care sunt identici și care nu se pot distinge unul de celălalt și îi interacționează între ei. Această indistinguire este crucială: dacă aveți doi fotoni și „totul este la fel la ei și nu puteți spune numărul unu și numărul doi, nu le puteți urmări așa. Asta le permite să interacționeze în anumite moduri care nu sunt clasice.”
Kaplan spune că „dacă dorim ca fotonul să aibă această proprietate foarte specifică, de a fi foarte bine definit în energie, polarizare, mod spațial, timp, toate lucrurile pe care le putem codifica mecanic cuantic, avem nevoie ca sursa să fie foarte cuantică bine definită și mecanic.”
Sursa pe care au ajuns să o folosească este o formă de nanoparticule de perovskit plumb-halit. Filmele subțiri de perovskiți cu halogenură de plumb sunt urmărite pe scară largă ca potențiale fotovoltaice de generație următoare, printre altele, deoarece ar putea fi mult mai ușoare și mai ușor de procesat decât fotovoltaicele standard pe bază de siliciu de astăzi.
Sub formă de nanoparticule, perovskiții cu halogenură de plumb se remarcă prin viteza lor radiativă criogenică orbitor de rapidă, care le diferențiază de alte nanoparticule semiconductoare coloidale. Cu cât lumina este emisă mai repede, cu atât este mai probabil ca ieșirea să aibă o funcție de undă bine definită. Ratele radiative rapide poziționează astfel în mod unic nanoparticulele de perovskit cu halogenură de plumb pentru a emite lumină cuantică.
Pentru a testa dacă fotonii pe care îi generează au într-adevăr această proprietate care nu se poate distinge, un test standard este de a detecta un anumit tip de interferență între doi fotoni, cunoscut sub numele de interferență Hong-Ou-Mandel. Acest fenomen este esențial pentru multe tehnologii bazate pe cuantice, spune Kaplan și, prin urmare, demonstrarea prezenței sale „a fost un semn distinctiv pentru a confirma că o sursă de fotoni poate fi utilizată în aceste scopuri”.
Foarte puține materiale pot emite lumină care îndeplinește acest test, spune el. „Aproape pot fi listate pe o parte.” Deși noua lor sursă nu este încă perfectă, producând interferența HOM doar aproximativ jumătate din timp, celelalte surse au probleme semnificative cu atingerea scalabilității. „Motivul pentru care alte surse sunt coerente este că sunt făcute din cele mai pure materiale și sunt făcute individual, una câte una, atom cu atom. Deci, există o scalabilitate foarte slabă și o reproductibilitate foarte slabă”, spune Kaplan.
Prin contrast, nanoparticulele de perovskit sunt realizate într-o soluție și pur și simplu depuse pe un material substrat. „Practic, le învârtim pe o suprafață, în acest caz doar o suprafață obișnuită de sticlă”, spune Kaplan. „Și îi vedem că suferă de acest comportament care anterior a fost observat doar în cele mai stricte condiții de pregătire.”
Deci, chiar dacă aceste materiale ar putea să nu fie încă perfecte, „Sunt foarte scalabile, putem face multe din ele. și în prezent sunt foarte neoptimizate. Le putem integra în dispozitive și le putem îmbunătăți în continuare”, spune Kaplan.
În această etapă, spune el, această lucrare este „o descoperire fundamentală foarte interesantă”, care arată capacitățile acestor materiale. „Importanța lucrării este că sperăm că poate încuraja oamenii să analizeze cum să le îmbunătățească și mai mult în diferite arhitecturi de dispozitive.”
Și, adaugă Bawendi, prin integrarea acestor emițători în sisteme reflectorizante numite cavități optice, așa cum sa făcut deja cu celelalte surse, „avem deplină încredere că integrarea lor într-o cavitate optică le va aduce proprietățile la nivelul concurenței. ”
Echipa de cercetare a inclus Chantalle Krajewska, Andrew Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David Berkinsky și Hendrik Utzat. Lucrarea a fost susținută de Departamentul de Energie al SUA și de Consiliul de Cercetare în Științe Naturale și Inginerie din Canada.
Raport de cercetare:„Interferența Hong-Ou-Mandel în nanocristalele de perovskit CsPbBr3 coloidal”
Link-uri conexe
Departamentul de Chimie al MIT
Totul despre energia solară la SolarDaily.com
- Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
- PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
- BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
- Sursa: https://www.solardaily.com/reports/Researchers_develop_a_new_source_of_quantum_light_999.html