В настоящее время многие группы ученых работают с наночастицами, крошечными частичками различных материалов, размером всего в несколько нанометров. Наночастицы, в свою очередь, бывают различной формы -столбики, сферы, кубы, пузырьки, S-, V-образные и т.п. Интерес к таким частицам обусловлен тем, что из-за своих крошечных размеров они имеют квантово-механические свойства, чего невозможно добиться при помощи объектов большего размера.
Исследователи из Центра наноразмерных материалов (Center for Nanoscale Materials, CNM), совместно с учеными из нескольких университетов, провели исследования и эксперименты с наночастицами тороидальной формы, изготовленными из полупроводниковых материалов. Такие «квантовые полупроводниковые кольца» могут найти практическое применение в областях квантовых коммуникаций, вычислений и хранения квантовой информации.
Крошечные кольца изготавливались из селенида кадмия, полупроводникового материала, который начинает испускать собственные фотоны света при освещении светом лазера. Эти квантовые кольца — практически двухмерные прозрачные структуры, состоящие всего из нескольких атомарных слоев.
«Если осветить такой двухмерный объект светом лазера, то можно ожидать, что материал начнет излучать фотоны вдоль двух своих осей» — пишут исследователи, — «Но, как это бывает достаточно часто, вы получите совсем не то, что вы ожидаете. В данном случае, к нашему удивлению, эти двумерные кольца излучают свет вдоль только одной своей оси».
Изменяя форму наночастицы и ломая, тем самым, ее осевую симметрию, исследователи добились изменения направления выходящего из частицы светового потока. Это, в свою очередь, дает ученым в руки возможность управления потоком фотонов вплоть до возможности управления единичными фотонами, которые содержат закодированную в них квантовую информацию.
«В будущем, когда это позволят сделать новые методы высокоточного производства, мы изготовим наночастицы с более сложной формой, к примеру, в виде прямоугольника с отверстием в центре или в виде листочка клевера в множественными отверстиями» — пишут исследователи, — «Это позволит кодировать в фотонах света более разнообразную квантовую информации или «загонять» в один фотон большее количество этой информации».
«Остается добавить, что геометрия — это не единственный фактор, обеспечивающий возникновение квантовых эффектов. Как часто бывает с наноразмерными вещами, в этом принимает участие и атомарная структура материала, которая предварительно рассчитывается особым образом».
