Onderzoekers van Columbia Engineering en Montana State University melden vandaag dat ze hebben ontdekt dat het plaatsen van voldoende spanning in een 2D-materiaal - wolfraamdiselenide (WSe2) - gelokaliseerde toestanden creëert die enkel-fotonstralers kunnen opleveren. Met behulp van geavanceerde optische microscopietechnieken die de afgelopen drie jaar in Columbia zijn ontwikkeld, het team was in staat om deze staten voor het eerst direct in beeld te brengen, onthullend dat ze zelfs bij kamertemperatuur zeer afstembaar zijn en fungeren als kwantumstippen, strak opgesloten stukjes halfgeleider die licht uitstralen.

"Onze ontdekking is erg spannend, omdat het betekent dat we nu een enkele-fotonzender kunnen plaatsen waar we maar willen, en stem zijn eigenschappen af, zoals de kleur van het uitgezonden foton, eenvoudig door het materiaal op een specifieke locatie te buigen of te spannen, " zegt James Schuck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, die mede leiding gaf aan de studie die vandaag is gepubliceerd door Natuur Nanotechnologie . "Weten waar en hoe de single-photon-emitter moet worden afgesteld, is essentieel voor het creëren van optische kwantumschakelingen voor gebruik in kwantumcomputers, of zelfs in zogenaamde 'kwantum'-simulators die fysieke verschijnselen nabootsen die veel te complex zijn om te modelleren met hedendaagse computers."

Het ontwikkelen van kwantumtechnologieën zoals kwantumcomputers en kwantumsensoren is een zich snel ontwikkelend onderzoeksgebied, aangezien onderzoekers erachter komen hoe ze de unieke eigenschappen van de kwantumfysica kunnen gebruiken om apparaten te maken die veel efficiënter kunnen zijn, sneller, en gevoeliger dan bestaande technologieën. Bijvoorbeeld, kwantuminformatie - denk aan versleutelde berichten - zou veel veiliger zijn.

Licht bestaat uit discrete energiepakketten die bekend staan ​​als fotonen, en op licht gebaseerde kwantumtechnologieën zijn afhankelijk van de creatie en manipulatie van individuele fotonen. "Bijvoorbeeld, een typische groene laserpointer zendt elke seconde meer dan 1016 (10 quadriljoen) fotonen uit met een simpele druk op de knop, " merkt Nicholas Borys op, assistent-professor natuurkunde aan de Montana State University en co-PI van deze nieuwe studie. "Maar het ontwikkelen van apparaten die slechts één bestuurbaar foton kunnen produceren met een druk op de knop is buitengewoon moeilijk."

Onderzoekers weten al vijf jaar dat single-photon emitters bestaan ​​in ultradunne 2D-materialen. Hun ontdekking werd met veel opwinding begroet omdat single-photon emitters in 2D-materialen gemakkelijker kunnen worden afgestemd, en gemakkelijker te integreren in apparaten, dan de meeste andere single-photon emitters. Maar niemand begreep de onderliggende materiaaleigenschappen die leiden tot de emissie van één foton in deze 2D-materialen. "We wisten dat de single-photon emitters bestonden, maar we wisten niet waarom, ', zegt Schuk.

In 2019 kwam er een paper uit van de groep van Frank Jahnke, een professor aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Bremen, Duitsland, die theoretiseerde hoe de spanning in een bel kan leiden tot rimpels en gelokaliseerde toestanden voor emissie van één foton. Schuck, die zich richt op waarnemings- en technische fenomenen die voortkomen uit nanostructuren en interfaces, was direct geïnteresseerd in een samenwerking met Jahnke. Hij en Borys wilden zich concentreren op de kleine, rimpels op nanoschaal die zich vormen in de vorm van donuts rond bellen die in deze ultradunne 2D-lagen bestaan. de bubbels, typisch kleine vloeistof- of gaszakjes die vast komen te zitten tussen twee lagen 2D-materialen, spanning in het materiaal veroorzaken en tot kreukels leiden.

de groep van Schuck, en het gebied van 2D-materialen, stond voor een grote uitdaging bij het bestuderen van de oorsprong van deze single-photon emitters:de gespannen gebieden op nanoschaal, die het interessante licht uitstralen, zijn veel kleiner - ongeveer 50, 000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar - dan kan worden opgelost met een conventionele optische microscoop.

"Dit maakt het moeilijk om te begrijpen wat specifiek in het materiaal resulteert in de emissie van één foton:is het gewoon de hoge spanning? Is het van defecten die verborgen zijn in het gespannen gebied?" zegt de hoofdauteur van de studie, Tom Darlington, die postdoc en voormalig gediplomeerd onderzoeker is bij Schuck. "Je hebt licht nodig om deze toestanden te observeren, maar hun afmetingen zijn zo klein dat ze niet kunnen worden bestudeerd met standaard microscopen."

In samenwerking met andere laboratoria van het Columbia Nano Institute, het team putte uit hun decennialange expertise in onderzoek op nanoschaal. Ze gebruikten geavanceerde optische microscopietechnieken, inclusief hun nieuwe microscopiecapaciteit, om niet alleen naar de nanobellen te kijken, maar zelfs binnen hen. Hun geavanceerde "nano-optische" microscopietechnieken - hun "nanoscopen" - stelden hen in staat om deze materialen in beeld te brengen met een resolutie van ~10 nm, in vergelijking met een resolutie van ongeveer 500 nm die haalbaar is met een conventionele optische microscoop.

Veel onderzoekers hebben gedacht dat defecten de bron zijn van single-photon emitters in 2D-materialen, omdat ze meestal in 3D-materialen zoals diamant zijn. Om de rol van defecten uit te sluiten en aan te tonen dat spanning alleen verantwoordelijk zou kunnen zijn voor single-photon emitters in 2D-materialen, De groep van Schuck bestudeerde de materialen met een ultralaag defect, ontwikkeld door de groep van Jim Hone bij Columbia Engineering, onderdeel van het NSF-gefinancierde Materials Research Science and Engineering Center. Ze maakten ook gebruik van nieuwe dubbellaagse structuren die zijn ontwikkeld binnen het Programmable Quantum Materials Center (een DOE Energy Frontiers Research Center), die goed gedefinieerde bellen opleverde in een platform dat gemakkelijk kon worden bestudeerd met Schuck's optische 'nanoscopen'.

"Defecten op atoomschaal worden vaak toegeschreven aan gelokaliseerde bronnen van lichtemissie in deze materialen, " zegt Jeffrey Neaton, een professor in de natuurkunde aan UC Berkeley en Associate Laboratory Director for Energy Sciences, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De nadruk in dit werk op het feit dat spanning alleen, zonder dat er defecten op atomaire schaal nodig zijn, hebben mogelijk invloed op [s] toepassingen, variërend van low-power light-emitting diodes tot kwantumcomputers."

Schuck, Boris, en hun teams onderzoeken nu hoe spanning kan worden gebruikt om de specifieke eigenschappen van deze single-photon emitters precies op maat te maken, en om paden te ontwikkelen voor het ontwerpen van adresseerbare en afstembare arrays van deze emitters voor toekomstige kwantumtechnologieën.

"Onze resultaten betekenen dat volledig afstembare, kamertemperatuur single-photon emitters zijn nu binnen ons bereik, de weg vrijmaken voor controleerbare en praktische kwantumfotonische apparaten, "Schuck merkt op. "Deze apparaten kunnen de basis vormen voor kwantumtechnologieën die computergebruik ingrijpend zullen veranderen, voelen, en informatietechnologie zoals wij die kennen."