System som kan avge en ström av enstaka fotoner, kallas kvantljuskällor, är kritiska hårdvarukomponenter för framväxande teknik som kvantberäkning, kvante internet, och kvantkommunikation.

I många fall kräver förmågan att generera kvantljus on-demand manipulering och kontroll av enstaka atomer eller molekyler, skjuta gränsen för moderna tillverkningstekniker, och att göra utvecklingen av dessa system till en tvärvetenskaplig utmaning.

I ny forskning, publicerad i Naturmaterial , ett internationellt tvärvetenskapligt samarbete som leds av University of Technology Sydney (UTS), har avslöjat den kemiska strukturen bakom defekter i vit grafen (sexkantig bornitrid, hBN), ett tvådimensionellt nanomaterial som visar stort löfte som plattform för att generera kvantljus.

Defekterna, eller kristallbrister, kan fungera som enstaka fotonkällor och en förståelse av deras kemiska struktur är avgörande för att kunna tillverka dem på ett kontrollerat sätt.

"hBN -enkelfotonsändare visar enastående optiska egenskaper, bland de bästa från något solid state -materialsystem, dock, för att använda dem praktiskt måste vi förstå defektens art och vi har äntligen börjat reda ut denna gåta, "säger UTS -doktorand Noah Mendelson och första författare till studien.

"Tyvärr, vi kan inte helt enkelt kombinera kraftfulla tekniker för att visualisera enskilda atomer direkt med kvantoptiska mätningar, så att få denna strukturella information är mycket utmanande. Istället angrep vi detta problem från en annan vinkel, genom att kontrollera införlivandet av dopningsmedel, som kol, in i hBN under tillväxt och sedan direkt jämföra de optiska egenskaperna för varje, " han sa.

För att förverkliga denna omfattande studie, laget, ledd av professor Igor Aharonovich, chefsutredare för UTS-noden i ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Materials (TMOS), vände sig till samarbetspartners i Australien och runt om i världen för att tillhandahålla den mängd prover som behövs.

Forskarna kunde observera, för första gången, en direkt koppling mellan kolinkorporering i hBN -gitteret och kvantemission.

"Att bestämma strukturen för materialfel är ett otroligt utmanande problem och kräver experter från många discipliner. Detta är inget vi kunde ha gjort inom vår grupp ensam. Endast genom att samarbeta med samarbetspartners från hela världen vars expertis ligger i olika materialtillväxttekniker skulle vi kunna studera denna fråga fullständigt. Genom att tillsammans arbeta kunde vi äntligen ge den tydlighet som behövs för forskarsamhället som helhet, "sade professor Aharonovich.

"Det var särskilt spännande eftersom denna studie möjliggjordes av de nya samarbetsinsatserna med medarbetarna Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan och Chennupati Jagadish från TMOS -noden vid Australian National University, " han sa.

Forskarna identifierade också en annan spännande funktion i sin studie, att defekterna bär spinn, en grundläggande kvantmekanisk egenskap, och ett nyckelelement för att koda och hämta kvantinformation lagrad på enstaka fotoner.

"Att bekräfta att dessa defekter medför snurr öppnar spännande möjligheter för framtida kvantavkännande applikationer, specifikt med atomiskt tunna material. "sade professor Aharonovich.

Arbetet tar fram ett nytt forskningsfält, 2-D quantum spintronics, och lägger grunden för ytterligare studier av kvantljusemission från hBN. Författarna räknar med att deras arbete kommer att stimulera till ökat intresse för fältet och underlätta en rad uppföljningsexperiment såsom generering av intrasslade fotonpar från hBN, detaljerade studier av systemets rotationsegenskaper, och teoretisk bekräftelse av defektstrukturen.

"Detta är bara början, och vi räknar med att våra resultat kommer att påskynda distributionen av hBN -kvantemitrar för en rad nya tekniker, "avslutar herr Mendelson.