Små bobler tager et kvantespring

Forskere ved Columbia Engineering og Montana State University rapporterer i dag, at de har fundet ud af, at anbringelse af tilstrækkelig belastning i et 2-D-materiale - wolframdiselenid (WSe2) - skaber lokaliserede tilstande, der kan give enkeltfotonemittere. Ved at bruge sofistikerede optiske mikroskopiteknikker udviklet i Columbia i løbet af de sidste tre år, holdet var i stand til direkte at afbilde disse tilstande for første gang, afslører, at selv ved stuetemperatur er de meget justerbare og fungerer som kvanteprikker, stramt afgrænsede stykker af halvledere, der udsender lys.

"Vores opdagelse er meget spændende, fordi det betyder, at vi nu kan placere en enkelt-foton-emitter, hvor vi vil, og tune dens egenskaber, såsom farven på den udsendte foton, blot ved at bøje eller belaste materialet på et bestemt sted, " siger James Schuck, lektor i maskinteknik, der ledede undersøgelsen offentliggjort i dag af Natur nanoteknologi . "At vide præcis hvor og hvordan man tuner enkeltfoton-emitteren er afgørende for at skabe kvanteoptiske kredsløb til brug i kvantecomputere, eller endda i såkaldte 'kvante'-simulatorer, der efterligner fysiske fænomener, der er alt for komplekse til at modellere med nutidens computere."

Udvikling af kvanteteknologier såsom kvantecomputere og kvantesensorer er et forskningsfelt i hastig udvikling, da forskere finder ud af, hvordan man kan bruge kvantefysikkens unikke egenskaber til at skabe enheder, der kan være meget mere effektive, hurtigere, og mere følsomme end eksisterende teknologier. For eksempel, kvanteinformation – tro krypterede beskeder – ville være meget mere sikker.

Lys er opbygget af diskrete energipakker kendt som fotoner, og lysbaserede kvanteteknologier er afhængige af skabelsen og manipulationen af ​​individuelle fotoner. "For eksempel, en typisk grøn laserpointer udsender over 1016 (10 kvadrillioner) fotoner hvert sekund med blot et tryk på en knap, "bemærker Nicholas Borys, assisterende professor i fysik ved Montana State University og co-PI i denne nye undersøgelse. "Men det er ekstremt vanskeligt at udvikle enheder, der kun kan producere en enkelt kontrollerbar foton med et tryk på en kontakt."

Forskere har i fem år vidst, at der findes enkeltfoton-emittere i ultratynde 2-D-materialer. Deres opdagelse blev mødt med stor spænding, fordi enkeltfoton-emittere i 2-D-materialer lettere kan indstilles, og lettere integreret i enheder, end de fleste andre enkeltfoton-emittere. Men ingen forstod de underliggende materialeegenskaber, der fører til enkeltfotonemissionen i disse 2D-materialer. "Vi vidste, at enkeltfoton-emitterne eksisterede, men vi vidste ikke hvorfor " siger Schuck.

I 2019 udkom et papir fra gruppen af ​​Frank Jahnke, professor ved Institut for Teoretisk Fysik ved University of Bremen, Tyskland, der teoretiserede, hvordan belastningen i en boble kan føre til rynker og lokaliserede tilstande for enkelt-fotonemission. Schuck, der fokuserer på sansning og tekniske fænomener, der opstår fra nanostrukturer og grænseflader, var straks interesseret i at samarbejde med Jahnke. Han og Borys ønskede at fokusere på det lille, nanoskala rynker, der dannes i form af donuts omkring bobler, der findes i disse ultratynde 2-D lag. boblerne, typisk små lommer af væske eller gas, der bliver fanget mellem to lag af 2-D materialer, skabe belastning i materialet og føre til rynkning.

Schucks gruppe, og området for 2-D materialer, stod over for en stor udfordring med at studere oprindelsen af ​​disse enkeltfoton-emittere:de nanoskala-anstrengte områder, som udsender lyset af interesse, er meget mindre - cirka 50, 000 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår - end det kan løses med et hvilket som helst konventionelt optisk mikroskop.

"Dette gør det svært at forstå, hvad der specifikt i materialet resulterer i enkelt-foton-emissionen:er det bare den høje belastning? Er det fra defekter skjult i det belastede område?" siger studiets hovedforfatter Tom Darlington, som er postdoc og tidligere kandidatforsker hos Schuck. "Du har brug for lys for at observere disse tilstande, men deres størrelser er så små, at de ikke kan undersøges med standardmikroskoper. "

Arbejde med andre laboratorier på Columbia Nano Institute, holdet trak på deres årtiers lange ekspertise inden for nanoskala forskning. De brugte sofistikerede optiske mikroskopiteknikker, inklusive deres nye mikroskopifunktion, at se ikke kun på nano-boblerne, men selv inde i dem. Deres avancerede "nano-optiske" mikroskopiteknikker - deres "nanoskoper" - gjorde dem i stand til at afbilde disse materialer med ~10 nm opløsning, sammenlignet med en opløsning på ca. 500 nm, der kan opnås med et konventionelt optisk mikroskop.

Mange forskere har troet, at defekter er kilden til enkeltfoton-emittere i 2D-materialer, da de normalt er i 3D-materialer såsom diamant. For at udelukke defekters rolle og vise, at stamme alene kunne være ansvarlig for enkelt-foton-emittere i 2-D materialer, Schucks gruppe studerede de ultralave defekte materialer udviklet af Jim Hones gruppe ved Columbia Engineering, en del af det NSF-finansierede Materials Research Science and Engineering Center. De udnyttede også nye tolagsstrukturer udviklet inden for Programmable Quantum Materials Center (et DOE Energy Frontiers Research Center), som gav veldefinerede bobler i en platform, der let blev studeret med Schucks optiske "nanoskoper".

"Defekter på atomare skala tilskrives ofte lokaliserede kilder til lysemission i disse materialer, " siger Jeffrey Neaton, en professor i fysik ved UC Berkeley og Associate Laboratory Director for Energy Sciences, Lawrence Berkeley National Laboratory, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Vægten i dette arbejde på det faktum, at belastning alene, uden behov for atomskala defekter, potentielt påvirke applikationer lige fra lysemitterende dioder med lav effekt til kvantecomputere."

Schuck, Borys, og deres teams undersøger nu, hvordan belastning kan bruges til præcist at skræddersy de specifikke egenskaber ved disse enkelt-fotonemittere, og at udvikle veje hen imod konstruktion af adresserbare og indstillelige arrays af disse emittere til fremtidige kvanteteknologier.

"Vores resultater betyder, at fuldt afstembare, enkeltfoton-emittere ved stuetemperatur er nu inden for vores rækkevidde, baner vejen for kontrollerbare – og praktiske – kvantefotoniske enheder, " observerer Schuck. "Disse enheder kan være grundlaget for kvanteteknologier, der vil ændre databehandling dybt, sansning, og informationsteknologi, som vi kender den."