_ Studiul pune în lumină proprietățile și promisiunea nitrurii de bor hexagonale, utilizate în tehnologiile electronice și fotonice

Emițătorii cu un singur foton (SPE) sunt asemănătoare becurilor microscopice care emit doar un foton (un cuantum de lumină) la un moment dat. Aceste structuri minuscule au o importanță imensă pentru dezvoltarea tehnologiei cuantice, în special în aplicații precum comunicațiile securizate și imaginile de înaltă rezoluție. Cu toate acestea, multe materiale care conțin SPE-uri nu sunt practice pentru utilizare în producția de masă din cauza costului lor ridicat și a dificultății de integrare a acestora în dispozitive complexe.

În 2015, oamenii de știință au descoperit SPE-urile într-un material numit nitrură de bor hexagonală ( hBN). De atunci, hBN a câștigat o atenție și o aplicare pe scară largă în diferite domenii și tehnologii cuantice, inclusiv senzori, imagistică, criptografie și calcul, datorită structurii sale stratificate și ușurinței de manipulare.

Apariția SPE-urilor în cadrul hBN provine din imperfecțiunile structurii cristaline a materialului, dar mecanismele precise care guvernează dezvoltarea și funcționarea lor au rămas evazive. Acum, un nou studiu publicat în Nature Materials dezvăluie perspective semnificative asupra proprietăților hBN, oferind o soluție la discrepanțe în cercetările anterioare cu privire la originile propuse pentru SPE în material.

Studiul implică un efort de colaborare care se întinde. trei instituții majore: Centrul de Cercetare în Știință Avansată de la CUNY Graduate Center (CUNY ASRC); facilitatea utilizatorului National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de la Brookhaven National Laboratory; și Institutul Național pentru Știința Materialelor. Gabriele Grosso, profesor la Photonics Initiative a CUNY ASRC și programul de fizică al CUNY Graduate Center, și Jonathan Pelliciari, un om de știință la NSLS-II, au condus studiul.

Colaborarea a fost declanșată de o conversație la Reuniunea anuală a NSLS-II și Centrul pentru Utilizatorii de Nanomateriale Funcționale, când cercetătorii de la CUNY ASRC și NSLS-II și-au dat seama cum expertiza, abilitățile și resursele lor unice ar putea descoperi câteva perspective noi, stârnind ideea experimentului hBN. Lucrarea a reunit fizicieni cu diverse domenii de expertiză și abilități de instrumentare care rareori colaborează într-un mod atât de apropiat.

Folosind tehnici avansate bazate pe împrăștierea razelor X și spectroscopie optică, echipa de cercetare a descoperit o excitație energetică fundamentală. care apare la 285 milielectroni volți. Această excitație declanșează generarea de stări electronice armonice care dau naștere unor fotoni unici – similar modului în care armonicile muzicale produc note pe mai multe octave.

În mod intrigant, aceste armonici se corelează cu energiile SPE-urilor observate în numeroase experimente efectuate în întreaga lume. . Descoperirea conectează observațiile anterioare și oferă o explicație pentru variabilitatea observată în descoperirile anterioare. Identificarea acestei scale de energie armonică indică o origine comună subiacentă și reconciliază diversele rapoarte privind proprietățile hBN din ultimul deceniu.

„Toată lumea raporta proprietăți diferite și energii diferite ale fotonilor unici care păreau să-i contrazică pe fiecare. altele", a spus Grosso. „Frumusețea descoperirilor noastre este că, cu o singură scară de energie și armonici, putem organiza și conecta toate aceste descoperiri despre care se credea că sunt complet deconectate. Folosind analogia muzicală, proprietățile unui singur foton pe care oamenii le-au raportat au fost în esență note diferite pe aceeași partitură muzicală."

Deși defectele hBN dau naștere la emisiile sale cuantice distinctive, ele reprezintă, de asemenea, o provocare semnificativă în eforturile de cercetare de a le înțelege.

„Defectele sunt unul dintre cele mai dificile fenomene fizice de studiat, pentru că sunt foarte localizate și greu de replicat”, a explicat Pelliciari. „Gândește-te astfel; dacă vrei să faci un cerc perfect, poți calcula o modalitate de a-l replica întotdeauna. Dar dacă vrei să reproduci un cerc imperfect, este mult mai greu.”

Implicații. din munca echipei se extind cu mult dincolo de hBN. Cercetătorii spun că descoperirile sunt o piatră de temelie pentru studiul defectelor altor materiale care conțin SPE. Înțelegerea emisiilor cuantice în hBN deține potențialul de a genera progrese în știința și tehnologiile informaționale cuantice, facilitând comunicațiile securizate și permițând calcule puternice care pot extinde și accelera eforturile de cercetare.

„Aceste rezultate sunt incitante, deoarece conectează măsurătorile. într-o gamă largă de energii de excitație optică, de la o singură cifră la sute de electroni volți”, a spus Enrique Mejia, Ph.D. student în laboratorul Grosso și autor principal al lucrării desfășurate la CUNY ASRC. „Putem distinge clar între eșantioanele cu și fără SPE și acum putem explica cum armonicile observate sunt responsabile pentru o gamă largă de emițători de fotoni unici.”

(Fluierul)