Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории создали новый класс квантовых точек с потенциально большими возможностями для медицинской визуализации, квантовой криптографии и квантовых вычислений. Уникальность разработки состоит в том, что спектрально чистые одиночные фотоны испускаются при комнатной температуре в широко настраиваемом диапазоне длин волн.

Для создания квантовых точек, испускающих одиночные фотоны, учёные использовали синтез в растворе коллоидных наночастиц. Полученные в ходе химических процессов квантовые точки представляют собой ядро из селенида кадмия в оболочке из сульфида кадмия. Для превращения таких структур в излучатели одиночных фотонов исследователи вставили между оболочкой и ядром прослойку из сульфида ртути. Оказалось, что простое наращивание толщины прослойки дискретно меняет длину волны излучения фотона.

«Этот новый синтез позволяет с высокой точностью контролировать на атомном уровне толщину излучающей прослойки сульфида ртути. Изменяя её с шагом в один атомный слой, мы можем настраивать длину волны излучаемого света дискретными квантовыми скачками и в дальнейшем плавно её настраивать, меняя размер ядра селенида кадмия», - сказал Владимир Саевич, ведущий химик проекта.

Новые структуры намного превосходят существующие квантовые точки ближнего инфракрасного диапазона. Они демонстрируют ровное излучение на уровне одной точки почти идеальной однофотонной чистоты при комнатной температуре. Такое стабильное поведение хорошо сохраняется как при оптическом, так и при электрическом возбуждении.

Практическим применением разработки может стать медицинская визуализация, которая позволит глубже и безопаснее заглянуть вглубь тканей человека, квантовая криптография, которая требует быстрых и качественных источников одиночных фотонов для распределения квантовых ключей, квантовые компьютеры, в которых фотоны играют роль кубитов, маркировка для защиты от подделок и ряд других приложений.

Но не стоит ожидать немедленных прорывов. Учёные поясняют, что ещё предстоит добиться неразличимости фотонов - убедиться, что одиночные фотоны, испускаемые разными квантовыми точками на подложке, идентичны по своим квантово-механическим свойствам. Этим исследователи займутся на следующем этапе работы.