Conta-gotas de luz

Conta-gotas de luz para tecnologias fotônicas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  11/12/2015

Um único átomo dopante de oxigênio (esfera vermelha), ligado à parede lateral do nanotubo de carbono (cinza) por ligação covalente, gera fótons individuais (vermelho) à temperatura ambiente quando excitado por pulsos de laser (verde).[Imagem: LANL]

Fótons individuais

A geração de fótons individuais é uma das tecnologias fundamentais para viabilizar os futuros computadores de luz, que guardarão os dados nesses fótons, além de abrir caminho para uma série de pesquisas básicas que podem ajudar a abrir novas fronteiras no entendimento da matéria e da energia.

Duas equipes apresentaram soluções envolvendo esse desafio, com abordagens que incluem a simplicidade e a busca por um emissor ideal de fótons - tudo em condições realísticas de uso.

Xuedan Ma, do Laboratório Los Alamos, nos EUA, criou um emissor de fótons individuais inserindo um átomo de oxigênio solitário na superfície de um nanotubo de carbono. A dopagem com o átomo individual de oxigênio é feita incorporando o nanotubo de carbono sobre uma base de dióxido de silício (SiO2).

O componente, funcionando a temperatura ambiente, emite fótons individuais com comprimentos de onda na faixa entre 1.100 e 1.300 nanômetros, no limiar da faixa utilizada em telecomunicações.

A expectativa da equipe é que, uma vez que seu componente já nasce em uma pastilha de silício, seja possível inserir muitos mais dados nas fibras ópticas do que é possível hoje com os lasers, cujos fótons, emitidos aos borbotões, são distribuídos aleatoriamente no tempo.

E fótons individuais contendo um dado preciso nada mais são do que qubits, bits de um processador quântico, prontos para serem utilizados.

O ponto quântico emite fótons idênticos mesmo em intervalos temporais muito extensos. [Imagem: University of Basel]

Emissor ideal de fótons individuais

Andreas Kuhlmann, da Universidade da Basileia, na Suíça, usou um ponto quântico para construir um emissor de fótons individuais que beira à perfeição.

É a primeira vez que se consegue um dispositivo capaz de emitir fótons individuais, em sequência e idênticos - em termos simples, fótons exatamente da mesma cor.

Um ponto quântico é uma estrutura composta por alguns poucos átomos que se desenvolve sob condições especiais na superfície de um semicondutor. Esses pontos capturam elétrons individuais e, quando esse estado quântico colapsa, a estrutura emite um único fóton.

Kuhlmann conseguiu controlar o spin dos núcleos dos átomos do ponto quântico com uma precisão tal que mesmo fótons disparados a intervalos muito longos têm exatamente a mesma cor.

Os fótons idênticos podem ser repetidos na escala de tempo de segundos, uma verdadeira eternidade para fenômenos quânticos.

Bibliografia:

Room-temperature single-photon generation from solitary dopants of carbon nanotubes
Xuedan Ma, Nicolai F. Hartmann, Jon K. S. Baldwin, Stephen K. Doorn, Han Htoon
Nature Nanotechnology
Vol.: 10, 671-675
DOI: 10.1038/nnano.2015.136

Transform-limited single photons from a single quantum dot
Andreas V. Kuhlmann, Jonathan H. Prechtel, Julien Houel, Arne Ludwig, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, Richard J. Warburton
Nature Communications
Vol.: 6:8204
DOI: 10.1038/ncomms9204