环形纳米颗粒的惊喜带来了改进的量子信息技术

这是半导体量子环的艺术渲染，该量子环被激光照射并发射单个光子。

如今，仅纳米大小的颗粒就处于科学研究的最前沿。它们有许多不同的形状：棒，球，立方体，囊泡，S形蠕虫，甚至是甜甜圈状的环。使它们值得科学研究的是，它们是如此之小，它们展现出了较大物体无法实现的量子力学性能。

位于能源部（Arge）国家实验室的美国能源部（DOE）科学用户设施办公室纳米级材料中心（CNM）的研究人员为最近发表的《自然通讯》（Nature Communications）论文做出了贡献，该论文报道了导致量子力学关键量子性质的原因。类似于甜甜圈的纳米粒子，称为“半导体量子环”。该特性可能会在未来技术中的量子信息存储，通信和计算中找到应用。

“如果用激光照射二维光子发射器，则希望它们沿两个轴发射光，但是您所期望的不一定是所得到的。令我们惊讶的是，这些二维环可以沿着一个轴发光。”—马学丹，纳米材料研究中心助理科学家

在该项目中，CNM研究人员与来自芝加哥大学，路德维希·马克西米利安大学，慕尼黑大学，渥太华大学和加拿大国家研究委员会的同事合作。

该小组组装了由硒化镉制成的圆环，硒化镉是一种半导体，可用于生长甜甜圈状的纳米颗粒。这些量子环是二维结构，即由几层原子组成的晶体材料。半导体的优势在于，当研究人员用激光激发它们时，它们会发出光子。

CNM的助理科学家马学丹说：“如果用激光照射二维光子发射器，您会期望它们沿两个轴发射光。”“但是您所期望的并不一定就是您所得到的。令我们惊讶的是，这些二维环可以沿着一个轴发光。”

研究小组在打破甜甜圈形状的完美旋转对称性时发现了这种效果，使它们略微拉长。马云说：“通过这种对称性的破坏，我们可以改变光的发射方向。因此，我们可以控制光子从甜甜圈中出来的方式并实现相干的方向控制。”

因为光中的光子是从这些环沿单个方向发射的，而不是在所有方向上散布的，所以研究人员可以调整此发射以有效地收集单个光子。通过这种控制，研究人员可以将拓扑信息集成到光子中，然后可以将其用作传递量子信息的信使。甚至有可能将这些编码的光子用于量子联网和计算。

“如果我们能够更好地控制制造过程，我们可以制造具有不同形状的纳米颗粒，例如具有多个孔的三叶草或中心具有孔的矩形，” Argonne的CNM的Maria Goeppert Mayer研究员Matthew Otten指出。 。“然后，我们也许能够将更多类型的量子信息或更多信息编码到纳米粒子中。”

“我还要补充一点，几何不是导致这种量子效应的唯一因素。这种材料的原子结构也很重要，这在纳米级材料中很常见。

最近，《自然通讯》上发表了一篇基于这项研究的论文，“半导体量子环中的单轴跃迁偶极矩是由旋转对称性破坏引起的”。除Ma和Otten外，作者包括Nicolai F. Hartmann，Igor Fedin，Dmitri Talapin，Moritz Cygorek，Pawel Hawrylak，Marek Korkusinski，Stephen Gray和Achim Hartschuh。

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

关于阿贡纳米材料中
心纳米材料中心是五个DOE纳米科学研究中心之一，是DOE科学办公室支持的纳米级跨学科研究的主要国家用户设施。NSRC共同构成了一套补充设施，为研究人员提供了制造，加工，表征和建模纳米级材料的最新能力，并构成了国家纳米技术计划的最大基础设施投资。NSRC位于DOE的Argonne，Brookhaven，Lawrence Berkeley，Oak Ridge，Sandia和Los Alamos国家实验室。

Argonne国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题的解决方案。阿尔贡（Argonne）是美国第一个国家实验室，几乎在所有科学学科中都进行领先的基础和应用科学研究。阿尔贡大学的研究人员与数百家公司，大学以及联邦，州和市级机构的研究人员紧密合作，以帮助他们解决特定问题，提高美国的科学领导地位并为国家创造更美好的未来做准备。Argonne的员工来自60多个国家，由美国能源部科学办公室的UChicago Argonne，LLC管理。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

参考：Nicolai F. Hartmann，Matthew Otten，Igor Fedin，Dmitri Talapin，Moritz Cygorek，Pawel Hawrylak，Marek Korkusinski，Stephen Gray，Achim Hartschuh和Xuedan Ma撰写的“由破坏的旋转对称性引起的半导体量子环中的单轴跃迁偶极矩” 2019年，《自然通讯》 .DOI：
10.1038 / s41467-019-11225-6