I en framtid byggd på kvantteknik, plan och rymdskepp kan drivas av ljusets fart. Kvantdatorer kommer att krossa komplexa problem som sträcker sig från kemi till kryptografi med högre hastighet och energieffektivitet än befintliga processorer. Men innan denna framtid kan ske, vi behöver ljusa, på begäran, förutsägbara källor till kvantljus.

Mot detta ändamål, ett team av materialforskare vid Stanford University, fysiker och ingenjörer, i samarbete med laboratorier vid Harvard University och University of Technology Sydney, har undersökt sexkantig bornitrid, ett material som kan avge starkt ljus som en enda foton - en kvantenhet av ljus - åt gången. Och det kan göra detta vid rumstemperatur, gör det lättare att använda jämfört med alternativa kvantkällor.

Tyvärr, sexkantig bornitrid har en betydande nackdel:Den avger ljus i en regnbåge av olika nyanser. "Även om detta utsläpp är vackert, färgen kan för närvarande inte kontrolleras, "sa Fariah Hayee, huvudförfattaren och en doktorand i laboratoriet av Jennifer Dionne, docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford. "Vi ville veta källan till flerfärgsemissionen, med det slutliga målet att få kontroll över utsläppen. "

Genom att använda en kombination av mikroskopiska metoder, forskarna kunde spåra materialets färgglada utsläpp till specifika atomfel. En grupp som leds av medförfattaren Prineha Narang, biträdande professor i beräkningsmaterialvetenskap vid Harvard University, utvecklade också en ny teori för att förutsäga defektens färg genom att redogöra för hur ljus, elektroner och värme interagerar i materialet.

"Vi behövde veta hur dessa defekter kopplas till miljön och om det kan användas som ett fingeravtryck för att identifiera och kontrollera dem, "sa Christopher Ciccarino, en doktorand i NarangLab vid Harvard University och medförfattare till uppsatsen.

Forskarna beskriver deras teknik och olika kategorier av defekter i en artikel publicerad i tidningen 24 mars Naturmaterial .

Mikroskopisk mikroskopi

Att identifiera de defekter som ger upphov till kvantemission är lite som att söka efter en vän i en trång stad utan mobiltelefon. Du vet att de finns där, men du måste skanna hela staden för att hitta deras exakta plats.

Genom att sträcka ut förmågorna hos en enastående, modifierat elektronmikroskop utvecklat av Dionne -labbet, forskarna kunde matcha det lokala, atomstruktur i sexkantig bornitrid med sin unika färgemission. Under hundratals experiment har de bombarderade materialet med elektroner och synligt ljus och registrerade mönstret för ljusemission. De studerade också hur det periodiska arrangemanget av atomer i hexagonal bornitrid påverkade utsläppsfärgen.

"Utmaningen var att reta ut resultaten från det som kan verka vara ett mycket rörigt kvantsystem. Bara en mätning berättar inte hela bilden, "sa Hayee." Men tillsammans, och kombinerat med teori, data är mycket rika och ger en tydlig klassificering av kvantdefekter i detta material. "

Förutom deras specifika resultat om typer av defektemissioner i sexkantiga bornitrid, processen som teamet utvecklat för att samla och klassificera dessa kvantspektra kan, på egen hand, vara transformativ för en rad kvantmaterial.

"Material kan tillverkas med nära atomskala precision, men vi förstår fortfarande inte helt hur olika atomarrangemang påverkar deras opto-elektroniska egenskaper, "sa Dionne, som också är chef för Photonics vid Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center (PTL-EFRC). "Vårt teams tillvägagångssätt avslöjar ljusutsläpp i atomskala, på väg till en mängd spännande kvantoptiska tekniker. "

En superposition av discipliner

Även om fokus nu ligger på att förstå vilka defekter som ger upphov till vissa färger av kvantemission, det slutliga målet är att kontrollera deras fastigheter. Till exempel, laget föreställer sig strategisk placering av kvantemitterare, samt att slå på och av deras utsläpp för framtida kvantdatorer.

Forskning inom detta område kräver ett tvärvetenskapligt förhållningssätt. Detta arbete samlade materialforskare, fysiker och elingenjörer, både experimenter och teoretiker, inklusive Tony Heinz, professor i tillämpad fysik vid Stanford och i fotonvetenskap vid SLAC National Accelerator Laboratory, och Jelena Vučkovic, Jensen Huang -professor i globalt ledarskap vid teknikhögskolan.

"Vi kunde lägga grunden för att skapa kvantkällor med kontrollerbara egenskaper, som färg, intensitet och position, "sade Dionne." Vår förmåga att studera detta problem från flera olika vinklar visar fördelarna med ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt. "