如今，只有纳米大小的颗粒处于科学研究的最前沿。它们有许多不同的形状：棒，球，立方体，囊泡，S形蠕虫，甚至是甜甜圈状的环。使它们值得科学研究的是，它们是如此之小，它们展现出了较大物体无法实现的量子力学性能。

位于能源部(Arge)国家实验室的美国能源部(DOE)科学用户设施办公室纳米级材料中心(CNM)的研究人员为最近发表的《自然通讯》(Nature Communications)论文做出了贡献，该论文报道了导致量子点关键量子特性的原因。像甜甜圈一样的纳米粒子，称为“半导体量子环”。该特性可能会在未来技术中的量子信息存储，通信和计算中找到应用。

在这个项目中，CNM研究人员与来自芝加哥大学，路德维希·马克西米利安大学，慕尼黑大学，渥太华大学和加拿大国家研究委员会的同事合作。

该团队组装了由硒化镉制成的圆环，硒化镉是一种半导体，可用于生长甜甜圈状的纳米颗粒。这些量子环是二维结构，即由几层原子组成的晶体材料。半导体的优势在于，当研究人员用激光激发它们时，它们会发出光子。

CNM的助理科学家马学丹说：“如果用激光照射二维光子发射器，则它们会沿两个轴发射光。” “但是您所期望的并不一定就是您所得到的。令我们惊讶的是，这些二维环可以沿着一个轴发光。”

研究小组在打破甜甜圈形状的完美旋转对称性(使它们略微伸长)时观察到了这种效果。马云说：“通过这种对称性破坏，我们可以改变光的发射方向。因此，我们可以控制光子从甜甜圈中出来的方式，并实现相干的方向控制。”

由于光中的光子是从这些环沿单个方向发射的，而不是在所有方向上散布的，因此研究人员可以调整此发射以有效地收集单个光子。通过这种控制，研究人员可以将拓扑信息集成到光子中，然后将其用作传递量子信息的信使。甚至有可能将这些编码的光子用于量子联网和计算。

“如果我们能够更好地控制制造过程，我们可以制造具有不同形状的纳米颗粒，例如具有多个孔的三叶草或中心具有孔的矩形”，阿贡国家研究中心的玛丽亚·格珀特·梅耶研究员马修·奥滕说。“然后，我们也许能够将更多类型的量子信息或更多信息编码到纳米粒子中。”

Ma说：“我还要补充一点，并不是引起这种量子效应的唯一因素。材料的原子结构也很重要，这在纳米级材料中很常见。”

最近，《自然通讯》上发表了一篇基于这项研究的论文，“半导体量子环中的单轴跃迁偶极矩由旋转对称性破坏引起” 。除Ma和Otten外，作者包括Nicolai F. Hartmann，Igor Fedin，Dmitri Talapin，Moritz Cygorek，Pawel Hawrylak，Marek Korkusinski，Stephen Gray和Achim Hartschuh。