Ein sauberer, besserer Weg zur Herstellung von Einzelphotonen-Emittern

RIKEN-Forscher haben eine effektive Quelle für einzelne Photonen für aufkommende Quantentechnologien geschaffen, indem sie mithilfe einer Reaktion, die in der Dampfphase abläuft, Moleküle zu Kohlenstoff-Nanoröhren hinzufügen.

Quantentechnologien stehen kurz davor, Computing und Kommunikation zu revolutionieren, und versprechen Vorteile wie sichere Kommunikation, hochempfindliche Sensorik und paralleles Rechnen. Viele dieser Anwendungen erfordern Lichtquellen, die bei Bedarf einzelne Photonen – die kleinstmöglichen Lichtpakete – erzeugen können.

Eine vielversprechende Quelle für einzelne Photonen im infraroten Wellenlängenbereich, die in der Telekommunikation verwendet werden, sind Kohlenstoffnanoröhren – Zylinder aus Graphenschichten mit einem Durchmesser von nur etwa einem Nanometer – denen durch Hinzufügen eines organischen Moleküls neue Funktionen verliehen oder funktionalisiert wurden.

Der sauberste Weg, dies zu tun, wäre die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren, die über einem Luftspalt schweben, aber leider ist dies nicht mit dem üblichen Ansatz der Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhren kompatibel, der in Lösungen stattfindet. „In Lösung funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren sind in der Regel sehr kurz und haben überall Defekte“, bemerkt Yuichiro Kato vom RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP).

Jetzt haben Kato und Daichi Kozawa, ebenfalls von RAP, und ihre Mitarbeiter ein Verfahren zur Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, das in der Dampfphase durchgeführt werden kann, und somit auf Nanoröhren, die über einem Graben in einem Siliziumsubstrat aufgehängt sind.

„Wir haben ziemlich lange Nanoröhren gezüchtet und sie in der Dampfphase funktionalisiert, sodass sie keinen Kontakt mit Lösungen hatten, die viele Verunreinigungen enthalten“, sagt Kato. „Mit dieser Methode konnten wir organische Moleküle einbringen, ohne auch unerwünschte Defekte einzubauen.“

Die Studie war eine Zusammenarbeit, die aus einer Interaktion vor der Pandemie auf einer internationalen Konferenz hervorgegangen ist. Das Team von Kato und Kozawa bei RAP produzierte die suspendierten Nanoröhren und schickte sie dann zur Funktionalisierung an Chemiker der University of Maryland in den Vereinigten Staaten, die sie dann zur Analyse zurückschickten. „YuHuang Wang von der University of Maryland ist ein großartiger Chemiker, und er war derjenige, der neugierig auf die Möglichkeit wurde, diese Reaktionen in der Dampfphase durchzuführen“, sagt Kato. „Wir haben ein paar Runden gebraucht, aber wir konnten eine gute Emission der organischen Moleküle auf den Nanoröhren sehen.“

Das Team verifizierte die optische Leistung ihrer Kohlenstoffnanoröhren, indem sie spektroskopische Messungen an mehr als 2.000 von ihnen durchführten. Sie entdeckten, dass die Anzahl der pro Nanoröhre eingeführten organischen Moleküle mit Nanoröhren mit kleinerem Durchmesser zunahm, und konnten diesen Effekt anhand der größeren Reaktivität schmalerer Nanoröhren modellieren.

Die Studie ist erschienen in Naturkommunikationund das Team beabsichtigt nun, den Funktionalisierungsprozess so zu optimieren, dass nur ein organisches Molekül pro Nanoröhre eingeführt wird.