Systemen die een stroom afzonderlijke fotonen kunnen uitzenden, kwantumlichtbronnen genoemd, zijn essentiële hardwarecomponenten voor opkomende technologieën zoals quantum computing, het kwantuminternet, en kwantumcommunicatie.

In veel gevallen vereist het vermogen om on-demand kwantumlicht te genereren de manipulatie en controle van afzonderlijke atomen of moleculen, de limiet van moderne fabricagetechnieken verleggen, en van de ontwikkeling van deze systemen een interdisciplinaire uitdaging maken.

Bij nieuw onderzoek gepubliceerd in Natuurmaterialen , een internationale multidisciplinaire samenwerking onder leiding van de University of Technology Sydney (UTS), heeft de chemische structuur achter defecten in wit grafeen blootgelegd (hexagonaal boornitride, hBN), een tweedimensionaal nanomateriaal dat veelbelovend is als platform voor het genereren van kwantumlicht.

de gebreken, of kristalonvolkomenheden, kunnen fungeren als enkele fotonbronnen en een goed begrip van hun chemische structuur is van cruciaal belang om ze op een gecontroleerde manier te kunnen fabriceren.

"hBN single photon emitters vertonen uitstekende optische eigenschappen, behoren tot de beste van elk materiaalsysteem in vaste toestand, echter, om er praktisch gebruik van te maken, moeten we de aard van het defect begrijpen en zijn we eindelijk begonnen met het ontrafelen van dit raadsel, ", zegt UTS-promovendus Noah Mendelson en eerste auteur van de studie.

"Helaas, we kunnen niet eenvoudigweg krachtige technieken combineren om afzonderlijke atomen direct te visualiseren met kwantumoptica-metingen, dus het verkrijgen van deze structurele informatie is een hele uitdaging. In plaats daarvan hebben we dit probleem vanuit een andere hoek aangepakt, door de opname van doteermiddelen te controleren, zoals koolstof, in hBN tijdens de groei en dan direct de optische eigenschappen voor elk vergelijken, " hij zei.

Om dit uitgebreide onderzoek te realiseren, het team, onder leiding van professor Igor Aharonovich, hoofdonderzoeker van het UTS-knooppunt van het ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Materials (TMOS), wendde zich tot medewerkers in Australië en over de hele wereld om de benodigde monsters te leveren.

De onderzoekers konden observeren, Voor de eerste keer, een directe link tussen koolstofopname in het hBN-rooster en kwantumemissie.

"Het bepalen van de structuur van materiaaldefecten is een ongelooflijk uitdagend probleem en vereist experts uit vele disciplines. Dit hadden we niet alleen binnen onze groep kunnen doen. Alleen door samen te werken met medewerkers van over de hele wereld wiens expertise ligt in verschillende materiaalgroeitechnieken zouden we deze kwestie uitgebreid kunnen bestuderen. Door samen te werken konden we eindelijk de duidelijkheid bieden die nodig is voor de onderzoeksgemeenschap als geheel, " zei professor Aharonovich.

"Het was bijzonder opwindend omdat deze studie mogelijk werd gemaakt door de nieuwe samenwerkingsinspanningen met medewerkers Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan en Chennupati Jagadish van het TMOS-knooppunt van de Australian National University, " hij zei.

De wetenschappers identificeerden ook een ander intrigerend kenmerk in hun onderzoek, dat de defecten spin dragen, een fundamentele kwantummechanische eigenschap, en een sleutelelement voor het coderen en ophalen van kwantuminformatie die is opgeslagen op enkele fotonen.

"Het bevestigen van deze defecten die spin dragen, opent spannende mogelijkheden voor toekomstige kwantumdetectietoepassingen, specifiek met atomair dunne materialen." zei professor Aharonovitsj.

Het werk brengt een nieuw onderzoeksveld op de voorgrond, 2D kwantum spintronica, en legt de basis voor verder onderzoek naar kwantumlichtemissie van hBN. De auteurs verwachten dat hun werk de interesse in het veld zal vergroten en een reeks vervolgexperimenten zal vergemakkelijken, zoals het genereren van verstrengelde fotonparen uit hBN, gedetailleerde studies van de spin-eigenschappen van het systeem, en theoretische bevestiging van de defectstructuur.

"Dit is slechts het begin, en we verwachten dat onze bevindingen de inzet van hBN-kwantumstralers voor een reeks opkomende technologieën zullen versnellen, " concludeert meneer Mendelson.