Wetenschap
Studie werpt licht op de eigenschappen en beloftes van hexagonaal boornitride, gebruikt in elektronische en fotonica-technologieën
Single-photon emitters (SPE's) lijken op microscopisch kleine gloeilampen die slechts één foton (een kwantum licht) tegelijk uitstralen. Deze kleine structuren zijn van enorm belang voor de ontwikkeling van kwantumtechnologie, vooral in toepassingen zoals beveiligde communicatie en beeldvorming met hoge resolutie. Veel materialen die SPE's bevatten, zijn echter onpraktisch voor gebruik bij massaproductie vanwege hun hoge kosten en de moeilijkheid om ze in complexe apparaten te integreren.
In 2015 ontdekten wetenschappers SPE's in een materiaal dat hexagonaal boornitride (hBN) wordt genoemd. Sindsdien heeft hBN brede aandacht en toepassing gekregen in verschillende kwantumvelden en technologieën, waaronder sensoren, beeldvorming, cryptografie en computergebruik, dankzij de gelaagde structuur en het gemak van manipulatie.
De opkomst van SPE's binnen hBN komt voort uit onvolkomenheden in de kristalstructuur van het materiaal, maar de precieze mechanismen die hun ontwikkeling en functie bepalen, zijn ongrijpbaar gebleven. Nu is er een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Materials onthult significante inzichten in de eigenschappen van hBN en biedt een oplossing voor discrepanties in eerder onderzoek naar de voorgestelde oorsprong van SPE's in het materiaal.
De studie omvat een gezamenlijke inspanning van drie grote instellingen:het Advanced Science Research Center van het CUNY Graduate Center (CUNY ASRC); de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) gebruikersfaciliteit in het Brookhaven National Laboratory; en het Nationaal Instituut voor Materiaalkunde. Gabriele Grosso, een professor bij het Photonics Initiative van de CUNY ASRC en het Physics-programma van het CUNY Graduate Center, en Jonathan Pelliciari, een bundellijnwetenschapper bij NSLS-II, leidden het onderzoek.
De samenwerking werd aangewakkerd door een gesprek op de jaarlijkse NSLS-II en Center for Functional Nanomaterials Users' Meeting, toen onderzoekers van CUNY ASRC en NSLS-II zich realiseerden hoe hun unieke expertise, vaardigheden en middelen nieuwe inzichten konden aan het licht brengen, wat leidde tot het idee voor het hBN-experiment. Het werk bracht natuurkundigen samen met uiteenlopende expertisegebieden en instrumentatievaardigheden, die zelden zo nauw samenwerken.
Met behulp van geavanceerde technieken op basis van röntgenverstrooiing en optische spectroscopie heeft het onderzoeksteam een fundamentele energie-excitatie ontdekt die optreedt bij 285 milli-elektronvolt. Deze excitatie veroorzaakt het genereren van harmonische elektronische toestanden die aanleiding geven tot afzonderlijke fotonen, vergelijkbaar met hoe muzikale harmonischen noten produceren over meerdere octaven.
Het is intrigerend dat deze harmonischen correleren met de energieën van SPE's die worden waargenomen in talloze wereldwijd uitgevoerde experimenten. De ontdekking verbindt eerdere waarnemingen en biedt een verklaring voor de variabiliteit die in eerdere bevindingen werd waargenomen. Identificatie van deze harmonische energieschaal wijst op een gemeenschappelijke onderliggende oorsprong en brengt de diverse rapporten over hBN-eigendommen van de afgelopen tien jaar met elkaar in overeenstemming.
"Iedereen rapporteerde verschillende eigenschappen en verschillende energieën van de afzonderlijke fotonen die elkaar leken tegen te spreken", zei Grosso. "Het mooie van onze bevindingen is dat we met één enkele energieschaal en harmonischen al deze bevindingen, waarvan men dacht dat ze volledig los van elkaar stonden, kunnen organiseren en met elkaar kunnen verbinden. Met behulp van de muziekanalogie waren de eigenschappen van de afzonderlijke fotonen die mensen rapporteerden feitelijk verschillende noten op de hetzelfde muziekblad."
Hoewel de defecten in hBN aanleiding geven tot de kenmerkende kwantumemissies ervan, vormen ze ook een aanzienlijke uitdaging bij onderzoeksinspanningen om deze te begrijpen.
"Defecten zijn een van de moeilijkste fysieke verschijnselen om te bestuderen, omdat ze zeer lokaal zijn en moeilijk te repliceren", legt Pelliciari uit. "Zie het zo:als je een perfecte cirkel wilt maken, kun je een manier berekenen om deze altijd te repliceren. Maar als je een onvolmaakte cirkel wilt repliceren, is dat veel moeilijker."
De implicaties van het werk van het team reiken veel verder dan hBN. De onderzoekers zeggen dat de bevindingen een opstap zijn voor het bestuderen van defecten in andere materialen die SPE's bevatten. Het begrijpen van de kwantumemissie in hBN heeft het potentieel om vooruitgang te boeken in de kwantuminformatiewetenschap en -technologieën, waardoor veilige communicatie mogelijk wordt gemaakt en krachtige berekeningen mogelijk worden gemaakt die de onderzoeksinspanningen enorm kunnen uitbreiden en versnellen.
"Deze resultaten zijn opwindend omdat ze metingen verbinden over een breed scala aan optische excitatie-energieën, van enkele cijfers tot honderden elektronvolts", zegt Enrique Mejia, een Ph.D. student in het Grosso-lab en hoofdauteur van het werk uitgevoerd bij de CUNY ASRC. "We kunnen duidelijk onderscheid maken tussen monsters met en zonder SPE's, en we kunnen nu uitleggen hoe de waargenomen harmonischen verantwoordelijk zijn voor een breed scala aan afzonderlijke fotonenzenders."