Single-photon emitters (SPEs) är besläktade med mikroskopiska glödlampor som bara avger en foton (ett kvantum av ljus) åt gången. Dessa små strukturer har enorm betydelse för utvecklingen av kvantteknologi, särskilt i applikationer som säker kommunikation och högupplöst bildbehandling. Men många material som innehåller SPE är opraktiska för användning i masstillverkning på grund av deras höga kostnader och svårigheten att integrera dem i komplexa enheter.

2015 upptäckte forskare SPE i ett material som kallas hexagonal bornitrid (hBN). Sedan dess har hBN fått stor uppmärksamhet och tillämpning inom olika kvantfält och tekniker, inklusive sensorer, bildbehandling, kryptografi och datorer, tack vare dess skiktade struktur och enkla manipulation.

Uppkomsten av SPE inom hBN härrör från brister i materialets kristallstruktur, men de exakta mekanismerna som styr deras utveckling och funktion har förblivit svårfångade. Nu, en ny studie publicerad i Nature Materials avslöjar betydande insikter om egenskaperna hos hBN, och erbjuder en lösning på diskrepanser i tidigare forskning om det föreslagna ursprunget för SPE i materialet.

Studien involverar ett samarbete som spänner över tre stora institutioner:Advanced Science Research Center vid CUNY Graduate Center (CUNY ASRC); användaranläggningen National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) vid Brookhaven National Laboratory; och National Institute for Materials Science. Gabriele Grosso, professor vid CUNY ASRC:s Photonics Initiative och CUNY Graduate Centers fysikprogram, och Jonathan Pelliciari, en strållinjeforskare vid NSLS-II, ledde studien.

Samarbetet utlöstes av ett samtal vid det årliga NSLS-II och Center for Functional Nanomaterials User's Meeting när forskare från CUNY ASRC och NSLS-II insåg hur deras unika expertis, färdigheter och resurser kunde avslöja några nya insikter, vilket gav upphov till idén om hBN-experimentet. Arbetet sammanförde fysiker med olika kompetensområden och instrumenteringsförmåga som sällan samarbetar på ett så nära sätt.

Med hjälp av avancerade tekniker baserade på röntgenspridning och optisk spektroskopi upptäckte forskargruppen en fundamental energiexcitation som inträffade vid 285 millielektronvolt. Denna excitation utlöser genereringen av harmoniska elektroniska tillstånd som ger upphov till enskilda fotoner – liknande hur musikaliska övertoner producerar toner över flera oktaver.

Spännande nog korrelerar dessa övertoner med energierna hos SPE:er som observerats i många experiment som utförts över hela världen. Upptäckten kopplar samman tidigare observationer och ger en förklaring till variabiliteten som observerats i tidigare fynd. Identifiering av denna harmoniska energiskala pekar på ett gemensamt underliggande ursprung och förenar de olika rapporterna om hBN-egenskaper under det senaste decenniet.

"Alla rapporterade olika egenskaper och olika energier hos de enskilda fotonerna som verkade motsäga varandra," sa Grosso. "Det fina med våra fynd är att med en enda energiskala och övertoner kan vi organisera och koppla samman alla dessa fynd som ansågs vara helt bortkopplade. Med hjälp av musikanalogin var de enskilda fotonegenskaperna som folk rapporterade i grunden olika toner på samma notblad."

Även om defekterna i hBN ger upphov till dess distinkta kvantutsläpp, utgör de också en betydande utmaning i forskningsansträngningarna för att förstå dem.

"Defekter är ett av de svåraste fysiska fenomenen att studera, eftersom de är mycket lokaliserade och svåra att replikera", förklarade Pelliciari. "Tänk på det så här; om du vill göra en perfekt cirkel kan du beräkna ett sätt att alltid replikera den. Men om du vill replikera en ofullkomlig cirkel är det mycket svårare."

Implikationerna av teamets arbete sträcker sig långt bortom hBN. Forskarna säger att fynden är ett språngbräde för att studera defekter i andra material som innehåller SPE. Att förstå kvantutsläpp i hBN har potentialen att driva framsteg inom kvantinformationsvetenskap och -teknik, underlätta säker kommunikation och möjliggöra kraftfulla beräkningar som avsevärt kan utöka och påskynda forskningsansträngningar.

"Dessa resultat är spännande eftersom de kopplar samman mätningar över ett brett spektrum av optiska excitationsenergier, från ensiffriga till hundratals elektronvolt", säger Enrique Mejia, en Ph.D. student i Grosso-labb och huvudförfattare till arbetet som utfördes vid CUNY ASRC. "Vi kan tydligt skilja mellan prover med och utan SPE, och vi kan nu förklara hur de observerade övertonerna är ansvariga för ett brett spektrum av enstaka fotonemitters."

Mer information: Elementära excitationer av enfotonemitters i hexagonal bornitrid, naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01866-4

Journalinformation: Naturmaterial

Tillhandahålls av CUNY Advanced Science Research Center