在激光照射下，环形纳米粒子的旋转对称断裂导致了惊人的量子性质。

 

只有纳米大小的粒子是当今科学研究的前沿。它们有许多不同的形状:棒状、球状、立方体、囊泡、s形蠕虫，甚至是环状的。它们之所以值得进行科学研究，是因为它们如此微小，表现出了在较大物体上不可能具备的量子力学特性。

 

研究中心的纳米材料(CNM),美国能源部(DOE)办公室用户设施位于能源部阿尔贡国家实验室,造成了自然通讯最近发表的论文报告背后的原因的一个关键donut-like纳米粒子的量子属性称为“半导体量子环。这一特性可能在未来的量子信息存储、通信和计算技术中得到应用。

 

“如果你用激光照射一个二维光子发射器，你期望它们沿着两个轴发射光，但你所期望的不一定会得到。让我们惊讶的是，这些二维的环可以沿着一个轴发射光。——马学丹，纳米材料中心助理科学家

 

在这个项目中，CNM的研究人员与来自芝加哥大学、路德维希·马克西米利安慕尼黑大学、渥太华大学和加拿大国家研究委员会的同事合作。天富代理什么待遇？

 

研究小组用硒化镉组装了圆环，硒化镉是一种半导体，可以生长出圆形的纳米颗粒。这些量子环是二维结构——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，它们会发射光子。

 

“如果你用激光照射一个二维光子发射器，你期望它们沿着两个轴发射光，”CNM的助理科学家马雪丹说。但是你所期望的不一定是你所得到的。令我们惊讶的是，这些二维环可以沿着一个轴发射光。”

 

研究小组在打破甜甜圈形状的完美旋转对称时观察到这种效应，导致甜甜圈略微拉长。“通过这种对称破坏，”马说，“我们可以改变光发射的方向。这样我们就可以控制光子从甜甜圈出来的方式，实现相干方向控制。”

 

因为光中的光子从这些环中沿单一方向发射，而不是向四面八方扩散，研究人员可以调整这种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，光子可以用作携带量子信息的信使。它甚至有可能利用这些编码光子进行量子网络和计算。

 

“如果我们能对制造过程有更大的控制，我们就能制造出不同形状的纳米颗粒，比如有多个孔的三叶草，或者中间有一个孔的矩形，”Matthew Otten说，他是Argonne的CNM的Maria Goeppert Mayer研究员。“然后，我们可能能够将更多类型的量子信息或更多信息编码到纳米颗粒中。”

 

我应该补充一点，几何形状并不是导致量子效应的唯一因素。材料的原子结构也很重要，这在纳米级材料中是经常发生的。天富代理什么待遇？

 

基于这项研究的一篇论文《旋转对称破坏引起的半导体量子环单轴跃迁偶极矩》最近发表在《自然通讯》上。除了Ma和Otten，作者还包括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。

 

关于阿贡的纳米材料中心

 

纳米尺度材料中心是美国能源部五个纳米尺度科学研究中心之一，是美国能源部科学办公室支持的纳米尺度跨学科研究的首要国家用户设施。NSRCs共同组成了一套补充设施，为研究人员提供了最先进的能力来制造、加工、表征和建模纳米级材料，并构成了国家纳米技术计划最大的基础设施投资。NSRCs位于美国能源部的阿尔贡、布鲁克海文、劳伦斯伯克利、橡树岭、桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室。