Undersøgelse kaster lys over egenskaber og løfter om hexagonal bornitrid, brugt i elektroniske og fotonikteknologier

Enkeltfoton-emittere (SPE'er) er beslægtet med mikroskopiske lyspærer, der kun udsender én foton (en lyskvante) ad gangen. Disse små strukturer har enorm betydning for udviklingen af ​​kvanteteknologi, især i applikationer som sikker kommunikation og højopløsningsbilleddannelse. Mange materialer, der indeholder SPE'er, er imidlertid upraktiske til brug i massefremstilling på grund af deres høje omkostninger og vanskeligheden ved at integrere dem i komplekse enheder.

I 2015 opdagede forskere SPE'er i et materiale kaldet hexagonal bornitrid (hBN). Siden da har hBN fået udbredt opmærksomhed og anvendelse på tværs af forskellige kvantefelter og teknologier, herunder sensorer, billedbehandling, kryptografi og computere, takket være dets lagdelte struktur og lette manipulation.

Fremkomsten af ​​SPE'er inden for hBN stammer fra ufuldkommenheder i materialets krystalstruktur, men de præcise mekanismer, der styrer deres udvikling og funktion, er forblevet uhåndgribelige. Nu er en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Materials afslører betydelig indsigt i hBN's egenskaber og tilbyder en løsning på uoverensstemmelser i tidligere forskning om den foreslåede oprindelse af SPE'er i materialet.

Undersøgelsen involverer et samarbejde, der spænder over tre store institutioner:Advanced Science Research Center på CUNY Graduate Center (CUNY ASRC); brugerfaciliteten National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ved Brookhaven National Laboratory; og National Institute for Materials Science. Gabriele Grosso, en professor med CUNY ASRC's Photonics Initiative og CUNY Graduate Center's Physics-program, og Jonathan Pelliciari, en beamline-forsker ved NSLS-II, ledede undersøgelsen.

Samarbejdet blev udløst af en samtale på det årlige NSLS-II og Center for Functional Nanomaterials User's Meeting, da forskere fra CUNY ASRC og NSLS-II indså, hvordan deres unikke ekspertise, færdigheder og ressourcer kunne afdække nogle nye indsigter, der satte gang i idéen til hBN-eksperimentet. Arbejdet samlede fysikere med forskellige ekspertiseområder og instrumenteringsevner, som sjældent samarbejder så tæt på en måde.

Ved hjælp af avancerede teknikker baseret på røntgenspredning og optisk spektroskopi afslørede forskerholdet en fundamental energiexcitation, der fandt sted ved 285 millielektronvolt. Denne excitation udløser genereringen af ​​harmoniske elektroniske tilstande, der giver anledning til enkelte fotoner – svarende til hvordan musikalske harmoniske producerer toner på tværs af flere oktaver.

Spændende nok korrelerer disse harmoniske med energierne fra SPE'er observeret på tværs af adskillige eksperimenter udført over hele verden. Opdagelsen forbinder tidligere observationer og giver en forklaring på den variabilitet, der er observeret i tidligere fund. Identifikation af denne harmoniske energiskala peger på en fælles underliggende oprindelse og forener de forskellige rapporter om hBN-egenskaber gennem det sidste årti.

"Alle rapporterede forskellige egenskaber og forskellige energier af de enkelte fotoner, der så ud til at modsige hinanden," sagde Grosso. "Det smukke ved vores fund er, at vi med en enkelt energiskala og harmoniske kan organisere og forbinde alle disse fund, som man troede var fuldstændig afbrudt. Ved at bruge musikanalogien var de enkeltfotonegenskaber, som folk rapporterede, grundlæggende forskellige toner på samme node."

Mens defekterne i hBN giver anledning til dets karakteristiske kvantemissioner, udgør de også en betydelig udfordring i forskningsbestræbelserne på at forstå dem.

"Defekter er et af de sværeste fysiske fænomener at studere, fordi de er meget lokaliserede og svære at replikere," forklarede Pelliciari. "Tænk på det på denne måde; hvis du vil lave en perfekt cirkel, kan du beregne en måde at altid replikere den på. Men hvis du vil replikere en ufuldkommen cirkel, er det meget sværere."

Implikationerne af teamets arbejde rækker langt ud over hBN. Forskerne siger, at resultaterne er et springbræt til at studere defekter i andre materialer, der indeholder SPE'er. Forståelse af kvanteemission i hBN rummer potentialet til at drive fremskridt inden for kvanteinformationsvidenskab og -teknologier, facilitere sikker kommunikation og muliggøre kraftfuld beregning, der i høj grad kan udvide og fremskynde forskningsindsatsen.

"Disse resultater er spændende, fordi de forbinder målinger på tværs af en bred vifte af optiske excitationsenergier, fra enkeltcifre til hundredvis af elektronvolt," sagde Enrique Mejia, en Ph.D. studerende i Grosso lab og hovedforfatter af arbejdet udført på CUNY ASRC. "Vi kan tydeligt skelne mellem prøver med og uden SPE'er, og vi kan nu forklare, hvordan de observerede harmoniske er ansvarlige for en lang række enkeltfotonemittere."

Flere oplysninger: Elementære excitationer af enkeltfoton-emittere i hexagonalt bornitrid, naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01866-4

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af CUNY Advanced Science Research Center