Partículas que têm meros nanômetros de tamanho estão na vanguarda da pesquisa científica hoje. Eles vêm em muitos formatos diferentes:hastes, esferas, cubos, vesículas, Minhocas em forma de S e até anéis em formato de rosquinha. O que os torna dignos de estudo científico é que, sendo tão pequeno, eles exibem propriedades mecânicas quânticas que não são possíveis com objetos maiores.

Pesquisadores do Center for Nanoscale Materials (CNM), uma instalação do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizada no Laboratório Nacional de Argonne do DOE, contribuíram para um publicado recentemente Nature Communications artigo que relata a causa por trás de uma propriedade quântica chave de nanopartículas semelhantes a donuts, chamadas de "anéis quânticos semicondutores". Esta propriedade pode encontrar aplicação no armazenamento de informações quânticas, comunicação, e computação em tecnologias futuras.

Neste projeto, os pesquisadores da CNM colaboraram com colegas da Universidade de Chicago, Universidade Ludwig Maximilian de Munique, Universidade de Ottawa e Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá.

A equipe montou anéis circulares feitos de seleneto de cádmio, um semicondutor que se presta ao crescimento de nanopartículas em forma de donut. Esses anéis quânticos são estruturas bidimensionais - materiais cristalinos compostos de algumas camadas de átomos. A vantagem dos semicondutores é que, quando os pesquisadores os excitam com um laser, eles emitem fótons.

"Se você iluminar um emissor de fótons bidimensional com um laser, você espera que eles emitam luz ao longo de dois eixos, "disse Xuedan Ma, cientista assistente do CNM. "Mas o que você espera não é necessariamente o que você obtém. Para nossa surpresa, esses anéis bidimensionais podem emitir luz ao longo de um eixo. "

A equipe observou esse efeito ao quebrar a simetria rotacional perfeita do formato do donut, fazendo com que sejam ligeiramente alongados. "Por esta quebra de simetria, "diz Ma, "podemos mudar a direção da emissão de luz. Assim, podemos controlar como os fótons saem do donut e obter um controle direcional coerente."

Como os fótons da luz são emitidos por esses anéis em uma única direção, em vez de se espalhar em todas as direções, os pesquisadores podem ajustar essa emissão para coletar efetivamente fótons individuais. Com este controle, pesquisadores podem integrar informações de topologia aos fótons, que podem ser usados ​​como mensageiros para transportar informações quânticas. Pode até ser possível explorar esses fótons codificados para redes quânticas e computação.

"Se conseguirmos obter um controle ainda maior sobre o processo de fabricação, poderíamos fazer nanopartículas com diferentes formas, como um trevo com vários orifícios ou um retângulo com um orifício no centro, "observou Matthew Otten, uma Maria Goeppert Mayer Fellow no CNM de Argonne. "Então, podemos ser capazes de codificar mais tipos de informações quânticas ou mais informações nas nanopartículas. "

"Devo acrescentar que a geometria não é o único fator que causa esse efeito quântico. A estrutura atomística do material também conta, como é frequentemente o caso em materiais em nanoescala, "disse a mãe.

Um artigo baseado no estudo, "Momentos de dipolo de transição uniaxial em anéis quânticos semicondutores causados ​​por simetria rotacional quebrada, "apareceu recentemente em Nature Communications . Além de Ma e Otten, autores incluem Nicolai F. Hartmann, Igor Fedin, Dmitri Talapin, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray e Achim Hartschuh.