Einzelphotonenemitter (SPEs) ähneln mikroskopisch kleinen Glühbirnen, die jeweils nur ein Photon (ein Lichtquantum) aussenden. Diese winzigen Strukturen sind für die Entwicklung der Quantentechnologie von enormer Bedeutung, insbesondere für Anwendungen wie sichere Kommunikation und hochauflösende Bildgebung. Viele Materialien, die SPEs enthalten, sind jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten und der Schwierigkeit, sie in komplexe Geräte zu integrieren, für den Einsatz in der Massenfertigung unpraktisch.
Im Jahr 2015 entdeckten Wissenschaftler SPEs in einem Material namens hexagonalem Bornitrid (hBN). Seitdem hat hBN aufgrund seiner Schichtstruktur und einfachen Handhabung in verschiedenen Quantenbereichen und -technologien, darunter Sensoren, Bildgebung, Kryptographie und Computer, große Aufmerksamkeit und Anwendung gefunden.
Die Entstehung von SPEs in hBN ist auf Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur des Materials zurückzuführen, die genauen Mechanismen, die ihre Entwicklung und Funktion steuern, sind jedoch noch unklar. Jetzt eine neue Studie veröffentlicht In Naturmaterialien liefert wichtige Einblicke in die Eigenschaften von hBN und bietet eine Lösung für Diskrepanzen in früheren Untersuchungen zu den vorgeschlagenen Ursprüngen von SPEs im Material.
Die Studie umfasst eine Gemeinschaftsarbeit von drei großen Institutionen: dem Advanced Science Research Center am CUNY Graduate Center (CUNY ASRC); die Benutzereinrichtung National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) im Brookhaven National Laboratory; und das National Institute for Materials Science. Gabriele Grosso, Professorin bei der Photonics Initiative des CUNY ASRC und dem Physikprogramm des CUNY Graduate Center, und Jonathan Pelliciari, Beamline-Wissenschaftler am NSLS-II, leiteten die Studie.
Die Zusammenarbeit wurde durch ein Gespräch auf dem jährlichen NSLS-II- und Center for Functional Nanomaterials Users‘ Meeting ausgelöst, als Forscher von CUNY ASRC und NSLS-II erkannten, wie ihre einzigartige Expertise, Fähigkeiten und Ressourcen einige neuartige Erkenntnisse aufdecken könnten, was die Idee dazu entfachte das hBN-Experiment. Die Arbeit brachte Physiker mit unterschiedlichen Fachgebieten und Instrumentierungskompetenzen zusammen, die selten so eng zusammenarbeiten.
Mithilfe fortschrittlicher Techniken, die auf Röntgenstreuung und optischer Spektroskopie basieren, entdeckte das Forschungsteam eine grundlegende Energieanregung, die bei 285 Millielektronenvolt auftritt. Diese Anregung löst die Erzeugung harmonischer elektronischer Zustände aus, die einzelne Photonen entstehen lassen – ähnlich wie musikalische Harmonische Töne über mehrere Oktaven hinweg erzeugen.
Interessanterweise korrelieren diese Harmonischen mit den Energien von SPEs, die in zahlreichen weltweit durchgeführten Experimenten beobachtet wurden. Die Entdeckung verbindet frühere Beobachtungen und liefert eine Erklärung für die bei früheren Erkenntnissen beobachtete Variabilität. Die Identifizierung dieser harmonischen Energieskala weist auf einen gemeinsamen zugrunde liegenden Ursprung hin und bringt die verschiedenen Berichte über hBN-Eigenschaften im letzten Jahrzehnt in Einklang.
„Alle berichteten über unterschiedliche Eigenschaften und unterschiedliche Energien der einzelnen Photonen, die einander zu widersprechen schienen“, sagte Grosso. „Das Schöne an unseren Erkenntnissen ist, dass wir mit einer einzigen Energieskala und Harmonischen alle diese Erkenntnisse organisieren und verbinden können, von denen angenommen wurde, dass sie völlig unzusammenhängend waren. Wenn man die Musikanalogie verwendet, handelte es sich bei den einzelnen Photoneneigenschaften, über die die Leute berichteten, grundsätzlich um unterschiedliche Notizen auf dem.“ dasselbe Notenblatt.
Während die Defekte in hBN zu seinen charakteristischen Quantenemissionen führen, stellen sie auch eine erhebliche Herausforderung für die Forschungsbemühungen dar, sie zu verstehen.
„Defekte sind eines der am schwierigsten zu untersuchenden physikalischen Phänomene, da sie sehr lokalisiert und schwer zu reproduzieren sind“, erklärte Pelliciari. „Stellen Sie sich das so vor: Wenn Sie einen perfekten Kreis erstellen möchten, können Sie eine Möglichkeit berechnen, ihn immer zu reproduzieren. Wenn Sie jedoch einen unvollständigen Kreis reproduzieren möchten, ist das viel schwieriger.“
Die Auswirkungen der Arbeit des Teams gehen weit über hBN hinaus. Die Forscher sagen, dass die Ergebnisse ein Sprungbrett für die Untersuchung von Defekten in anderen Materialien sind, die SPEs enthalten. Das Verständnis der Quantenemission in hBN birgt das Potenzial, Fortschritte in der Quanteninformationswissenschaft und -technologie voranzutreiben, sichere Kommunikation zu erleichtern und leistungsstarke Berechnungen zu ermöglichen, die die Forschungsbemühungen erheblich erweitern und beschleunigen können.
„Diese Ergebnisse sind aufregend, weil sie Messungen über einen weiten Bereich optischer Anregungsenergien, von einstelligen bis hin zu Hunderten von Elektronenvolt, miteinander verbinden“, sagte Enrique Mejia, ein Ph.D. Student im Grosso-Labor und Hauptautor der am CUNY ASRC durchgeführten Arbeit. „Wir können klar zwischen Proben mit und ohne SPEs unterscheiden und nun erklären, wie die beobachteten Harmonischen für eine Vielzahl von Einzelphotonenemitter verantwortlich sind.“
Mehr Informationen:
Elementare Anregungen von Einzelphotonenemitter in hexagonalem Bornitrid, Naturmaterialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01866-4