Djævelen i defekte detaljer af kvanteemissioner optrevlet

Systemer, der kan udsende en strøm af enkeltfotoner, kaldet kvantelyskilder, er kritiske hardwarekomponenter til nye teknologier såsom kvantecomputere, kvante internet, og kvantekommunikation.

I mange tilfælde kræver evnen til at generere kvantelys on-demand manipulation og kontrol af enkelte atomer eller molekyler, skubbe grænsen for moderne fremstillingsteknikker, og gøre udviklingen af ​​disse systemer til en tværfaglig udfordring.

I ny forskning, udgivet i Naturmaterialer , et internationalt tværfagligt samarbejde ledet af University of Technology Sydney (UTS), har afsløret den kemiske struktur bag defekter i hvid grafen (hexagonal bornitrid, hBN), et todimensionelt nanomateriale, der lover meget som en platform til generering af kvantelys.

Defekterne, eller krystal ufuldkommenheder, kan fungere som enkeltfotonkilder og en forståelse af deres kemiske struktur er afgørende for at kunne fremstille dem på en kontrolleret måde.

"hBN enkeltfoton-emittere viser fremragende optiske egenskaber, blandt de bedste fra ethvert solid state -materialesystem, imidlertid, for at gøre praktisk brug af dem er vi nødt til at forstå arten af ​​defekten, og vi er endelig begyndt at optrevle denne gåde, " siger UTS Ph.D.-kandidat Noah Mendelson og førsteforfatter af undersøgelsen.

"Desværre, vi kan ikke bare kombinere kraftfulde teknikker til at visualisere enkeltatomer direkte med kvanteoptiske målinger, så det er meget udfordrende at få denne strukturelle information. I stedet angreb vi dette problem fra en anden vinkel, ved at kontrollere inkorporeringen af ​​dopingstoffer, som kulstof, ind i hBN under vækst og derefter direkte sammenligning af de optiske egenskaber for hver, " han sagde.

For at realisere denne omfattende undersøgelse, holdet, ledet af professor Igor Aharonovich, chefforsker af UTS-knuden i ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Materials (TMOS), henvendte sig til samarbejdspartnere i Australien og rundt om i verden for at levere de nødvendige prøver.

Forskerne kunne observere, for første gang, en direkte forbindelse mellem kulstofinkorporering i hBN-gitteret og kvantemission.

"At bestemme strukturen af ​​materialefejl er et utroligt udfordrende problem og kræver eksperter fra mange discipliner. Dette er ikke noget, vi kunne have gjort inden for vores gruppe alene. Kun ved at samarbejde med samarbejdspartnere fra hele verden, hvis ekspertise ligger i forskellige materialevækstteknikker kunne vi studere dette spørgsmål grundigt. Ved at arbejde sammen var vi endelig i stand til at give den nødvendige klarhed for forskningssamfundet som helhed, sagde professor Aharonovich.

"Det var særligt spændende, da denne undersøgelse blev muliggjort af det nye samarbejde med samarbejdspartnere Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan og Chennupati Jagadish fra TMOS-knuden på Australian National University, " han sagde.

Forskerne identificerede også et andet spændende træk i deres undersøgelse, at defekterne bærer spin, en grundlæggende kvantemekanisk egenskab, og et nøgleelement til at kode og hente kvanteinformation lagret på enkelte fotoner.

"At bekræfte disse defekter bære spin åbner spændende muligheder for fremtidige kvanteregistreringsapplikationer, specifikt med atomisk tynde materialer." sagde professor Aharonovich.

Værket sætter et nyt forskningsfelt på banen, 2-D quantum spintronics, og lægger grundlaget for yderligere undersøgelser af kvantelysemission fra hBN. Forfatterne forventer, at deres arbejde vil stimulere øget interesse for feltet og lette en række opfølgende eksperimenter, såsom generering af sammenfiltrede fotonpar fra hBN, detaljerede undersøgelser af systemets spinegenskaber, og teoretisk bekræftelse af defektstrukturen.

"Dette er blot begyndelsen, og vi forventer, at vores resultater vil fremskynde udbredelsen af ​​hBN kvanteemittere til en række nye teknologier, " slutter Mr. Mendelson.