Forskere skinner lys over de defekter, der er ansvarlige for rodet adfærd i kvantematerialer

I en fremtid bygget på kvanteteknologier, fly og rumskibe kunne blive drevet af lysets momentum. Kvantecomputere vil komme igennem komplekse problemer, der spænder over kemi til kryptografi med større hastighed og energieffektivitet end eksisterende processorer. Men før denne fremtid kan gå i opfyldelse, vi har brug for lyse, på forespørgsel, forudsigelige kilder til kvantelys.

Mod dette formål, et team af materialeforskere fra Stanford University, fysikere og ingeniører, i samarbejde med laboratorier ved Harvard University og University of Technology Sydney, har undersøgt sekskantet bornitrid, et materiale, der kan udsende skarpt lys som en enkelt foton - en kvanteenhed af lys - ad gangen. Og det kan gøre dette ved stuetemperatur, gør det lettere at bruge i forhold til alternative kvantekilder.

Desværre, sekskantet bornitrid har en betydelig ulempe:Det udsender lys i en regnbue af forskellige nuancer. "Selvom denne emission er smuk, farven kan i øjeblikket ikke kontrolleres, "sagde Fariah Hayee, hovedforfatteren og en kandidatstuderende i laboratoriet af Jennifer Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford. "Vi ville vide kilden til flerfarveemissionen, med det ultimative mål at få kontrol over emissionerne. "

Ved at anvende en kombination af mikroskopiske metoder, forskerne var i stand til at spore materialets farverige emission til bestemte atomfejl. En gruppe ledet af medforfatter Prineha Narang, adjunkt i computermaterialevidenskab ved Harvard University, udviklede også en ny teori til at forudsige defektenes farve ved at redegøre for, hvordan lys, elektroner og varme interagerer i materialet.

"Vi havde brug for at vide, hvordan disse fejl hænger sammen med miljøet, og om det kunne bruges som et fingeraftryk til at identificere og kontrollere dem, "sagde Christopher Ciccarino, en kandidatstuderende i NarangLab ved Harvard University og medforfatter af papiret.

Forskerne beskriver deres teknik og forskellige kategorier af defekter i et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet 24. marts Naturmaterialer .

Multiskala mikroskopi

At identificere de defekter, der giver anledning til kvanteemission, er lidt som at søge efter en ven i en overfyldt by uden mobiltelefon. Du ved, de er der, men du skal scanne hele byen for at finde deres præcise placering.

Ved at strække mulighederne i en enestående, modificeret elektronmikroskop udviklet af Dionne -laboratoriet, forskerne var i stand til at matche den lokale, atomskala struktur af sekskantet bornitrid med sin unikke farveemission. I løbet af hundredvis af eksperimenter, de bombarderede materialet med elektroner og synligt lys og registrerede mønsteret for lysemission. De studerede også, hvordan det periodiske arrangement af atomer i sekskantet bornitrid påvirkede emissionsfarven.

"Udfordringen var at drille resultaterne ud af det, der kan synes at være et meget rodet kvantesystem. Bare en måling fortæller ikke hele billedet, "sagde Hayee." Men taget sammen, og kombineret med teori, dataene er meget rige og giver en klar klassificering af kvantefejl i dette materiale. "

Ud over deres specifikke fund om typer af fejlemissioner i sekskantet bornitrid, den proces, teamet udviklede til at indsamle og klassificere disse kvantespektre kunne, på egen hånd, være transformerende for en række kvantematerialer.

"Materialer kan fremstilles med nær atomskala præcision, men vi forstår stadig ikke helt, hvordan forskellige atomarrangementer påvirker deres opto-elektroniske egenskaber, "sagde Dionne, som også er direktør for Photonics ved Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center (PTL-EFRC). "Vores teams tilgang afslører lysemission i atomskala, på vej til et væld af spændende kvanteoptiske teknologier. "

En superposition af discipliner

Selvom fokus nu er på at forstå, hvilke defekter der giver anledning til visse farver af kvanteemission, det endelige formål er at kontrollere deres ejendomme. For eksempel, teamet forestiller sig strategisk placering af kvanteemittere, samt at tænde og slukke deres emission for fremtidige kvantecomputere.

Forskning på dette område kræver en tværfaglig tilgang. Dette arbejde samlede materialeforskere, fysikere og elektriske ingeniører, både eksperimenter og teoretikere, herunder Tony Heinz, professor i anvendt fysik ved Stanford og i foton videnskab ved SLAC National Accelerator Laboratory, og Jelena Vučkovic, Jensen Huang -professoren i globalt lederskab på ingeniørhøjskolen.

"Vi var i stand til at lægge grunden til at skabe kvantekilder med kontrollerbare egenskaber, såsom farve, intensitet og position, "sagde Dionne." Vores evne til at studere dette problem fra flere forskellige vinkler viser fordelene ved en tværfaglig tilgang. "