Forskare vid Columbia Engineering och Montana State University rapporterar idag att de har funnit att det att placera tillräckligt med påfrestningar i ett 2-D-material-volfram diselenid (WSe2)-skapar lokaliserade tillstånd som kan ge enkelfotonsändare. Med hjälp av sofistikerade optiska mikroskopitekniker som utvecklats i Columbia under de senaste tre åren, laget kunde direkt avbilda dessa tillstånd för första gången, avslöjar att även vid rumstemperatur är de mycket avstämbara och fungerar som kvantpunkter, tätt begränsade bitar av halvledare som avger ljus.

"Vår upptäckt är mycket spännande, eftersom det betyder att vi nu kan placera en enkelfotonsändare var vi vill, och justera dess egenskaper, såsom färgen på den utsända fotonen, helt enkelt genom att böja eller sila materialet på en specifik plats, "säger James Schuck, docent i maskinteknik, som ledde studien som publicerades idag av Naturnanoteknik . "Att veta var och hur man ställer in enfotonemitern är avgörande för att skapa kvantoptiska kretsar för användning i kvantdatorer, eller till och med i så kallade "kvantsimulatorer" som efterliknar fysiska fenomen alldeles för komplexa för att modellera med dagens datorer. "

Att utveckla kvantteknik som kvantdatorer och kvantsensorer är ett snabbt utvecklande forskningsområde när forskare räknar ut hur man använder kvantfysikens unika egenskaper för att skapa enheter som kan vara mycket mer effektiva, snabbare, och mer känslig än befintlig teknik. Till exempel, kvantinformation - tänk krypterade meddelanden - skulle vara mycket säkrare.

Ljus består av diskreta energipaket som kallas fotoner, och ljusbaserad kvantteknik förlitar sig på skapande och manipulation av enskilda fotoner. "Till exempel, en typisk grön laserpekare avger över 1016 (10 kvadrillion) fotoner varje sekund med bara ett knapptryck, "konstaterar Nicholas Borys, biträdande professor i fysik vid Montana State University och co-PI i denna nya studie. "Men det är extremt svårt att utveckla enheter som bara kan producera en enda kontrollerbar foton med en omkopplare."

Forskare har vetat i fem år att det finns enkelfotonsändare i ultratunna 2-D-material. Deras upptäckt hälsades med mycket spänning eftersom enkelfotonsändare i 2-D-material lättare kan ställas in, och lättare integreras i enheter, än de flesta andra enkelfotonsändare. Men ingen förstod de underliggande materialegenskaperna som leder till enfotonemissionen i dessa 2-D-material. "Vi visste att enkelfotonsändarna fanns, men vi visste inte varför, säger Schuck.

År 2019 kom ett papper från gruppen av Frank Jahnke, professor vid Institute for Theoretical Physics vid University of Bremen, Tyskland, som teoretiserade hur belastningen i en bubbla kan leda till rynkor och lokaliserade tillstånd för emission av enfoton. Schuck, som fokuserar på avkännings- och konstruktionsfenomen som kommer från nanostrukturer och gränssnitt, var genast intresserad av att samarbeta med Jahnke. Han och Borys ville fokusera på det lilla, rynkor i nanoskala som bildas i form av munkar runt bubblor som finns i dessa ultratunna 2-D-lager. Bubblorna, vanligtvis små fickor av vätska eller gas som fastnar mellan två lager av 2-D-material, skapa påfrestningar i materialet och leda till rynkor.

Schucks grupp, och området för 2-D-material, stod inför en stor utmaning när det gäller att studera ursprunget till dessa enkelfotonsändare:de nanoskala ansträngda regionerna, som avger ljuset av intresse, är mycket mindre - ungefär 50, 000 gånger mindre än tjockleken på ett mänskligt hår - än vad som kan lösas med något konventionellt optiskt mikroskop.

"Detta gör det svårt att förstå vad som specifikt i materialet resulterar i enfotonemissionen:är det bara den höga belastningen? Är det från defekter dolda i det ansträngda området?" säger studiens huvudförfattare Tom Darlington, som är postdoc och tidigare forskarutbildare med Schuck. "Du behöver ljus för att observera dessa tillstånd, men deras storlekar är så små att de inte kan studeras med standardmikroskop. "

Arbetar med andra laboratorier vid Columbia Nano Institute, laget drog nytta av deras decennier långa expertis inom nanoskala forskning. De använde sofistikerade optiska mikroskopitekniker, inklusive deras nya mikroskopifunktion, att inte bara titta på nanobubblorna, men även inom dem. Deras avancerade "nano-optiska" mikroskopitekniker-deras "nanoskop"-gjorde det möjligt för dem att avbilda dessa material med ~ 10 nm upplösning, jämfört med cirka 500 nm upplösning som kan uppnås med ett konventionellt optiskt mikroskop.

Många forskare har trott att defekter är källan till enkelfotonsändare i 2-D-material, eftersom de vanligtvis finns i 3D-material som diamant. För att utesluta defektens roll och visa att enbart stam kan vara ansvarig för enfotonemitterare i 2-D-material, Schucks grupp studerade materialen med ultralåga defekter som utvecklats av Jim Hones grupp vid Columbia Engineering, del av det NSF-finansierade materialforskningscentret. De utnyttjade också nya tvåskiktsstrukturer som utvecklats inom Programable Quantum Materials Center (ett DOE Energy Frontiers Research Center), som gav väldefinierade bubblor i en plattform som enkelt kunde studeras med Schucks optiska "nanoskop".

"Defekter i atomskala tillskrivs ofta lokala källor för ljusemission i dessa material, "säger Jeffrey Neaton, en professor i fysik vid UC Berkeley och Associate Laboratory Director for Energy Sciences, Lawrence Berkeley National Laboratory, som inte var inblandad i studien. "Betoningen i detta arbete på det faktum att belastningen ensam, utan behov av atomskala defekter, potentiellt påverkande applikationer som sträcker sig från lågeffektsljusdioder till kvantdatorer. "

Schuck, Borys, och deras team utforskar nu hur påfrestningar kan användas för att exakt skräddarsy de specifika egenskaperna hos dessa enkelfotonsändare, och att utveckla vägar mot konstruerbara adresserbara och justerbara matriser för dessa sändare för framtida kvantteknik.

"Våra resultat innebär att den är helt avstämbar, enfoton-emittrar vid rumstemperatur är nu inom vårt grepp, banar väg för kontrollerbara - och praktiska - kvantfotoniska enheter, "Schuck observerar." Dessa enheter kan vara grunden för kvantteknik som kommer att förändra datorer mycket, avkänning, och informationsteknik som vi känner den. "