Comunicações verdadeiramente seguras. Sem escuta. Essa é a promessa da comunicação quântica. Um desafio para torná-lo realidade é a luz. Precisamos de uma maneira eficiente de criar pacotes de luz, chamados fótons. Agora, os cientistas identificaram como os nanotubos de carbono modificados emitem pares de fótons. Os experimentos e a teoria mostram que os pares de fótons são o resultado da captura e recombinação de dois excitons (pares elétron-buraco). A evidência sugere que este é um processo eficiente para gerar pares de fótons.

A pesquisa da equipe mostra como produzir fótons de forma eficiente usando minúsculos tubos de carbono. Essa produção pode levar a formas ultra-seguras de passar mensagens (comunicações quânticas). A abordagem também pode mudar os lasers, usado em tudo, desde eletrônicos de consumo a instrumentos científicos. De apelo adicional é que a modificação dos nanotubos de carbono envolve uma simples deposição de filmes finos de óxido de silício ou alumínio. Isso torna os tubos compatíveis com as tecnologias microeletrônicas existentes. Ele também abre um caminho para desenvolver circuitos integrados fotônicos.

Ajustando as propriedades eletrônicas de nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs), um processo conhecido como doping, está emergindo como um meio eficaz para aumentar as propriedades de emissão desses nanotubos e introduzir novas funcionalidades. Esses estados dopantes de SWCNTs são um novo tipo de fonte de luz quântica que pode imitar íons aprisionados em temperatura ambiente. Embora a maioria dos estados dopantes emita um fóton por ciclo de excitação e possa, portanto, servir como emissores de fóton único, alguns estados dopantes emitem fótons em pares. Isso pode ocorrer de duas maneiras:os pares de fótons podem vir de dois estados dopantes localizados dentro do ponto de excitação do laser ou da recombinação sucessiva de dois excitons em um único defeito. Esta última pesquisa de cientistas do Centro de Nanotecnologias Integradas e seus colaboradores no Laboratório Nacional de Los Alamos identifica o último processo como a parte responsável e esclarece ainda mais os detalhes do processo.

Os pesquisadores realizaram um experimento de correlação de fótons de segunda ordem limitado por tempo para separar fótons emitidos de decaimentos rápidos de estados de multi-excitons e aqueles emitidos de decaimento lento associado a estados de excitons únicos. O experimento mostrou que a emissão do par de fótons origina-se de duas capturas e recombinações sucessivas de excitons em um estado solitário dopante de oxigênio. Outras evidências experimentais e análises teóricas mostraram que esse tipo de processo de emissão de pares de fótons pode acontecer com uma eficiência de até 44% da emissão de um único fóton. O principal fator limitante para a eficiência desse processo é a aniquilação de excitons após a colisão (aniquilação exciton-exciton). Embora a emissão de múltiplos excitons não seja desejável para a geração de fóton único, este trabalho abre um caminho novo e estimulante para lasers baseados em nanotubos de carbono e geração de fótons emaranhados. Geral, este trabalho destaca os ricos processos multi-excitônicos associados aos estados dopantes.