As lâmpadas domésticas emitem uma torrente caótica de energia, como trilhões de partículas minúsculas de luz - chamadas fótons - refletem e se espalham em todas as direções. Fontes de luz quântica, por outro lado, são como armas de luz que disparam fótons individuais, um por um, cada vez que eles são acionados, permitindo-lhes transportar informações digitais à prova de hack - tecnologia atraente para setores como finanças e defesa.

Agora, pesquisadores do Stevens Institute of Technology e da Columbia University desenvolveram um método escalonável para criar um grande número dessas fontes de luz quântica em um chip com uma precisão sem precedentes que não só poderia abrir caminho para o desenvolvimento de sistemas criptográficos inquebráveis, mas também computadores quânticos que podem executar cálculos complexos em segundos que levariam anos para computadores normais para terminar.

"A busca por fontes de luz quânticas escaláveis ​​vem acontecendo há 20 anos, e mais recentemente se tornou uma prioridade nacional, "diz Stefan Strauf, que liderou o trabalho e também é diretor do Laboratório Nanofotônico de Stevens. "Esta é a primeira vez que alguém atinge um nível de controle espacial combinado com alta eficiência em um chip escalável, todos os quais são necessários para realizar tecnologias quânticas. "

O trabalho, a ser relatado na edição online antecipada de 29 de outubro da Nature Nanotechnology , descreve um novo método para criar fontes de luz quântica sob demanda em qualquer local desejado em um chip, esticando uma película de material semicondutor da espessura de um átomo sobre nanocubos feitos de ouro. Como filme plástico esticado, o filme se estende pelos cantos dos nanocubos, imprimindo locais definidos onde emissores de fóton único se formam.

Pesquisas anteriores testaram métodos para a produção de emissores quânticos em locais definidos, mas esses projetos não eram escaláveis ​​ou eficientes para disparar fótons únicos com freqüência suficiente para serem úteis na prática. Strauf e sua equipe mudaram tudo isso ao se tornar os primeiros a combinar controle espacial e escalabilidade com a capacidade de emitir fótons com eficiência sob demanda.

Para alcançar esses recursos, A equipe de Strauf projetou uma abordagem única em que o nanocubo de ouro serve a um propósito duplo:ele imprime o emissor quântico no chip e atua como uma antena ao seu redor. Ao criar os emissores quânticos entre o nanocubo de ouro e o espelho, Strauf deixou uma lacuna estreita de cinco nanômetros - 20, 000 vezes menor que a largura de uma folha de papel.

"Este pequeno espaço entre o espelho e o nanocubo cria uma antena óptica que canaliza todos os fótons para o intervalo de cinco nanômetros, assim, concentrando toda a energia ", diz Strauf." Essencialmente, fornece o impulso necessário para que os fótons individuais sejam emitidos rapidamente do local definido e na direção desejada. "

Para melhorar ainda mais a eficiência das fontes de luz quântica, Strauf se juntou a Katayun Barmak e James Hone, da Columbia University, que desenvolveu uma técnica para o cultivo de cristais semicondutores quase isentos de defeitos. Usando esses cristais únicos, O aluno de pós-graduação de Stevens, Yue Luo, construiu fileiras de emissores quânticos em um chip ao esticar o material da espessura de um átomo sobre os nanocubos. As nanoantenas são formadas anexando o espelho, na parte inferior do nanocubo.

O resultado:um disparo recorde de 42 milhões de fótons únicos por segundo; em outras palavras, cada segundo gatilho criava um fóton sob demanda, em comparação com apenas um em 100 acionadores anteriormente.

Embora minúsculo, os emissores são notavelmente resistentes. "Eles são surpreendentemente estáveis, "Strauf diz." Podemos resfriá-los e aquecê-los e desmontar o ressonador e remontá-lo, e eles ainda funcionam. "A maioria dos emissores quânticos deve ser mantida resfriada a -273 ° C, mas a nova tecnologia funciona a até -70 ° C." Ainda não estamos em temperatura ambiente, "diz Strauf, "mas os experimentos atuais mostram que é possível chegar lá."