Les chercheurs du RIKEN ont créé une source efficace de photons uniques pour les technologies quantiques émergentes en ajoutant des molécules aux nanotubes de carbone à l’aide d’une réaction qui se produit en phase vapeur.
Les technologies quantiques sont sur le point de révolutionner l’informatique et les communications, promettant des avantages tels que la communication sécurisée, la détection ultrasensible et l’informatique parallèle. Bon nombre de ces applications nécessitent des sources lumineuses capables de générer des photons uniques, les plus petits paquets de lumière possibles, à la demande.
Une source prometteuse de photons uniques dans la gamme de longueurs d’onde infrarouge utilisée dans les télécommunications est constituée de nanotubes de carbone – des cylindres de feuilles de graphène d’un diamètre d’environ un nanomètre – qui ont été dotés de nouvelles fonctions, ou fonctionnalisés, en ajoutant une molécule organique.
La façon la plus propre de le faire serait d’utiliser des nanotubes de carbone suspendus à travers un entrefer, mais malheureusement ce n’est pas compatible avec l’approche habituelle de fonctionnalisation des nanotubes de carbone, qui a lieu dans des solutions. « Les nanotubes de carbone fonctionnalisés en solution ont tendance à être très courts et à présenter des défauts partout », note Yuichiro Kato du RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP).
Maintenant, Kato et Daichi Kozawa, également de RAP, et leurs collègues ont développé une méthode de fonctionnalisation des nanotubes de carbone qui peut être effectuée en phase vapeur, et donc sur des nanotubes suspendus à travers une tranchée dans un substrat de silicium.
« Nous avons fait pousser des nanotubes assez longs et les avons fonctionnalisés en phase vapeur, afin qu’ils n’aient aucun contact avec des solutions, qui contiennent beaucoup d’impuretés », explique Kato. « Cette méthode nous a permis d’introduire des molécules organiques sans incorporer également des défauts indésirables. »
L’étude était une collaboration née d’une interaction pré-pandémique lors d’une conférence internationale. L’équipe de Kato et Kozawa au RAP a produit les nanotubes en suspension, puis les a envoyés aux chimistes de l’Université du Maryland aux États-Unis pour fonctionnalisation, qui les ont ensuite renvoyés pour analyse. « YuHuang Wang de l’Université du Maryland est un grand chimiste, et c’est lui qui s’est intéressé à la possibilité de faire ces réactions en phase vapeur », explique Kato. « Cela nous a pris quelques tours, mais nous avons pu voir une bonne émission des molécules organiques sur les nanotubes. »
L’équipe a vérifié les performances optiques de leurs nanotubes de carbone en effectuant des mesures spectroscopiques sur plus de 2 000 d’entre eux. Ils ont découvert que le nombre de molécules organiques introduites par nanotube augmentait avec des nanotubes de plus petit diamètre, et ils ont pu modéliser cet effet en termes de plus grande réactivité de nanotubes plus étroits.
L’étude est publiée dans Communication Natureet l’équipe entend désormais optimiser le processus de fonctionnalisation afin qu’une seule molécule organique soit introduite par nanotube.
Plus d’information:
Daichi Kozawa et al, Formation de centres de couleur organiques dans des nanotubes de carbone en suspension dans l’air à l’aide d’une réaction en phase vapeur, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30508-z