O Laboratório Nacional de Los Alamos produziu o primeiro material conhecido capaz de emitir um único fóton em temperatura ambiente e em comprimentos de onda de telecomunicações. Esses emissores de luz quântica de nanotubos de carbono podem ser importantes para o processamento de informações quânticas de base óptica e segurança da informação, ao mesmo tempo que é de interesse significativo para detecção ultrassensível, metrologia e necessidades de imagem e como fontes de fótons para avanços fundamentais em estudos de óptica quântica. A pesquisa foi relatada hoje na revista. Nature Photonics .

"Modificando quimicamente a superfície do nanotubo para introduzir de forma controlada defeitos de emissão de luz, desenvolvemos nanotubos de carbono como uma única fonte de fótons, trabalhando para implementar emissores quânticos em estado de defeito operando em temperatura ambiente e demonstrando sua função em comprimentos de onda tecnologicamente úteis, "disse Stephen Doorn, líder do projeto em Los Alamos e membro do Centro de Nanotecnologias Integradas (CINT). "Idealmente, um único emissor de fóton fornecerá operação em temperatura ambiente e emissão em comprimentos de onda de telecomunicações, mas isso permaneceu um objetivo indescritível. Até agora, materiais que poderiam atuar como emissores de fóton único nesses comprimentos de onda tiveram que ser resfriados a temperaturas de hélio líquido, tornando-os muito menos úteis para aplicações finais ou propósitos científicos, " ele disse.

Um avanço crítico no trabalho do nanotubo CINT foi a capacidade da equipe de forçar o nanotubo a emitir luz a partir de um único ponto ao longo do tubo, apenas em um site com defeito. O segredo era limitar os níveis de defeito a um por tubo. Um tubo, um defeito, um fóton. . . . Ao emitir luz apenas um fóton por vez, pode-se então controlar as propriedades quânticas dos fótons para armazenamento, manipulação e transmissão de informações.

Os pesquisadores do CINT foram capazes de atingir esse grau de controle usando química à base de diazônio, um processo que eles usaram para ligar uma molécula orgânica à superfície do nanotubo para servir como defeito. A química da reação do diazônio permitiu uma introdução controlável de defeitos à base de benzeno com sensibilidade reduzida às flutuações naturais no ambiente circundante. Mais importante, a versatilidade da química do diazônio também permitiu aos pesquisadores acessar a sintonia inerente dos comprimentos de onda de emissão de nanotubos.

Os comprimentos de onda (ou cor) dos fótons produzidos na maioria das outras abordagens eram muito curtos para aplicações de telecomunicações, onde os fótons precisam ser eficientemente manipulados e transportados dentro de circuitos ópticos. A equipe descobriu que, ao escolher um nanotubo de diâmetro apropriado, a emissão de um único fóton poderia ser sintonizada na região essencial do comprimento de onda das telecomunicações.

Os nanotubos de carbono funcionalizados têm perspectivas significativas para um maior desenvolvimento, Doorn notou, incluindo avanços na química de funcionalização; integração em fotônico, estruturas plasmônicas e de metamateriais para maior controle das propriedades de emissão quântica; e implementação em dispositivos acionados eletricamente e circuitos ópticos para diversas aplicações.