Les émetteurs de photons uniques (SPE) s’apparentent à des ampoules microscopiques qui n’émettent qu’un seul photon (un quantum de lumière) à la fois. Ces minuscules structures revêtent une immense importance pour le développement de la technologie quantique, en particulier dans des applications telles que les communications sécurisées et l’imagerie haute résolution. Cependant, de nombreux matériaux contenant des SPE ne peuvent pas être utilisés dans la fabrication de masse en raison de leur coût élevé et de la difficulté de les intégrer dans des dispositifs complexes.
En 2015, des scientifiques ont découvert des SPE dans un matériau appelé nitrure de bore hexagonal (hBN). Depuis lors, le hBN a suscité une attention et des applications généralisées dans divers domaines et technologies quantiques, notamment les capteurs, l’imagerie, la cryptographie et l’informatique, grâce à sa structure en couches et sa facilité de manipulation.
L’émergence de SPE au sein du hBN découle d’imperfections dans la structure cristalline du matériau, mais les mécanismes précis régissant leur développement et leur fonction restent insaisissables. Maintenant, une nouvelle étude publié dans Matériaux naturels révèle des informations significatives sur les propriétés du hBN, offrant une solution aux divergences dans les recherches antérieures sur les origines proposées des SPE dans le matériau.
L’étude implique un effort de collaboration couvrant trois institutions majeures : le Centre de recherche scientifique avancée du CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) ; l’installation utilisateur de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) au Brookhaven National Laboratory ; et l’Institut national des sciences des matériaux. Gabriele Grosso, professeur à l’Initiative photonique de la CUNY ASRC et au programme de physique du CUNY Graduate Center, et Jonathan Pelliciari, scientifique sur la ligne de lumière au NSLS-II, ont dirigé l’étude.
La collaboration a été déclenchée par une conversation lors de la réunion annuelle des utilisateurs du NSLS-II et du Center for Functional Nanomaterials, lorsque des chercheurs du CUNY ASRC et du NSLS-II ont réalisé comment leur expertise, leurs compétences et leurs ressources uniques pouvaient révéler de nouvelles connaissances, suscitant l’idée de l’expérience hBN. Les travaux ont réuni des physiciens possédant divers domaines d’expertise et de compétences en instrumentation qui collaborent rarement de manière aussi étroite.
À l’aide de techniques avancées basées sur la diffusion des rayons X et la spectroscopie optique, l’équipe de recherche a découvert une excitation énergétique fondamentale se produisant à 285 milliélectrons-volts. Cette excitation déclenche la génération d’états électroniques harmoniques qui donnent naissance à des photons uniques, de la même manière que les harmoniques musicales produisent des notes sur plusieurs octaves.
Curieusement, ces harmoniques sont en corrélation avec les énergies des SPE observées dans de nombreuses expériences menées dans le monde entier. La découverte relie les observations précédentes et fournit une explication de la variabilité observée dans les découvertes antérieures. L’identification de cette échelle d’énergie harmonique indique une origine sous-jacente commune et réconcilie les divers rapports sur les propriétés du hBN au cours de la dernière décennie.
« Tout le monde rapportait des propriétés et des énergies différentes des photons uniques qui semblaient se contredire », a déclaré Grosso. « La beauté de nos découvertes est qu’avec une seule échelle d’énergie et des harmoniques, nous pouvons organiser et relier toutes ces découvertes que l’on pensait complètement déconnectées. En utilisant l’analogie musicale, les propriétés des photons uniques signalées par les gens étaient fondamentalement des notes différentes sur le même partition. »
Si les défauts du hBN donnent lieu à ses émissions quantiques distinctives, ils représentent également un défi important dans les efforts de recherche visant à les comprendre.
« Les défauts sont l’un des phénomènes physiques les plus difficiles à étudier, car ils sont très localisés et difficiles à reproduire », a expliqué Pelliciari. « Pensez-y de cette façon : si vous voulez créer un cercle parfait, vous pouvez calculer un moyen de toujours le reproduire. Mais si vous voulez reproduire un cercle imparfait, c’est beaucoup plus difficile. »
Les implications du travail de l’équipe s’étendent bien au-delà du hBN. Les chercheurs affirment que ces résultats constituent un tremplin pour étudier les défauts d’autres matériaux contenant des SPE. Comprendre l’émission quantique dans le hBN pourrait potentiellement faire progresser la science et les technologies de l’information quantique, en facilitant les communications sécurisées et en permettant des calculs puissants susceptibles d’étendre et d’accélérer considérablement les efforts de recherche.
« Ces résultats sont passionnants car ils connectent des mesures sur une large gamme d’énergies d’excitation optique, allant d’un chiffre à des centaines d’électrons-volts », a déclaré Enrique Mejia, titulaire d’un doctorat. étudiant au laboratoire Grosso et auteur principal des travaux menés au CUNY ASRC. « Nous pouvons clairement distinguer les échantillons avec et sans SPE, et nous pouvons maintenant expliquer comment les harmoniques observées sont responsables d’une large gamme d’émetteurs de photons uniques. »
Plus d’information:
Excitations élémentaires d’émetteurs monophotoniques dans le nitrure de bore hexagonal, Matériaux naturels (2024). DOI : 10.1038/s41563-024-01866-4