Lokaliserede excitoner i 2-D materialer til integreret kvanteoptik

NUS-forskere har fundet ud af, at ilt-mellemliggende stoffer i enkeltlags wolframdiselenid (WSe) ₂ ) gør det muligt at fungere som enkeltfoton-emittere (SPE'er) til kvanteoptiske applikationer.

Todimensionelle (2-D) materialer med atomisk tynde honeycomb-lignende gitter blev for nylig opdaget eksperimentelt til brug som SPE'er. SPE'er udsender lys som enkelte partikler eller fotoner én ad gangen, og de spiller en vigtig rolle i kvanteoptik og kvanteinformationsbehandling. SPE'er udviklet ved hjælp af 2-D materialer såsom WSe ₂ , give fleksibilitet til potentiel enheds- og kredsløbsintegration i et halvlederfremstillingsmiljø. Imidlertid, arten af ​​disse eksperimentelt opdagede SPE'er i WSe ₂ er ikke klart, og dette hindrer deres potentielle anvendelse i kvanteapplikationer.

Prof Su Ying QUEK fra Institut for Fysik, NUS og hendes forskerhold har identificeret, at de enkelte foton-emissioner, der kommer fra de lokaliserede exciton-tilstande i WSe ₂ skyldtes de oxygenmellemliggende stoffer til stede i enkeltlags 2-D-materialet. Forskerholdet brugte en kombination af teoretiske beregninger og eksperimentelle tilgange til at nå frem til resultatet. Med bedre forståelse af oprindelsen af ​​enkeltfoton-emissioner, resultaterne kunne hjælpe med udviklingen af ​​SPE'er, der bruger 2-D materialer og forbedre deres emissionsydelse.

I deres forskningsarbejde, holdet formåede ikke at finde sammenhænge mellem tæthedsfunktionsteoriens beregninger på iboende punktdefekter i WSe ₂ materiale med de eksperimentelt opnåede spektre fra scanning tunneling spektroskopi. De fokuserede derefter på de iltrelaterede punktdefekter forbundet med WSe ₂ materiale. Disse defekter kunne let inkorporeres i materialet under synteseprocessen eller ved passivering af omgivelserne. Gennem en elimineringsproces, de fandt ud af, at defekter forbundet med oxygeninterstitialer i gitteret højst sandsynligt producerer de lokaliserede excitontilstande i de eksperimentelt observerede spektrale positioner.

Prof Quek sagde, "Dette arbejde giver en detaljeret undersøgelse af punktdefekter i monolag WSe ₂ og forudsagde arten og energierne af excitoner på disse defekte steder. Dechifrering af oprindelsen af ​​de enkelte foton-emittere vil være nyttig til udvikling af kvante-emittere ved hjælp af andre 2-D-materialer til kvanteoptiske applikationer."