Исследователи обнаружили, как проектировать и размещать источники одиночных фотонов в атомном масштабе внутри ультратонких двумерных материалов, открывая путь для будущих квантовых инноваций.
Квантовые излучатели, подобно идеально контролируемым переключателям света, могут включать поток отдельных частиц света, называемых фотонами, по одному. Эти крошечные переключатели — «биты» многих квантовых технологий — создаются за счёт дефектов на атомном уровне в материалах.
Их способность производить свет с такой точностью делает их незаменимыми для будущего квантовых технологий, включая квантовые вычисления, безопасную связь и сверхточное зондирование. Но обнаружение и контроль этих атомных световых переключателей были серьёзной научной задачей — до недавнего времени.
Учёные из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне совершили прорыв в понимании и контроле квантовых излучателей. Работа опубликована в журнале Advanced Materials.
В Центре наномасштабных материалов (CNM), объекте Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской лаборатории, команда использовала современный специализированный микроскоп под названием QuEEN-M (Quantum Emitter Electron Nanomaterial Microscope), чтобы точно определить и даже создать квантовые излучатели в ультратонком материале, известном как гексагональный нитрид бора.
Выяснив атомную структуру, отвечающую за излучение света, исследователи открыли дверь для разработки материалов с индивидуальными квантовыми свойствами для будущих устройств.
«Сложность изучения квантовых излучателей заключается в том, что их оптическое поведение определяется атомной структурой, которую очень трудно наблюдать напрямую», — сказал Цзяньго Вэнь, учёный-материаловед из Аргонны.
Для решения этой проблемы Вэнь и его команда использовали метод, называемый катодолюминесцентной спектроскопией, наряду с высокоразрешающим микроскопом QuEEN-M.
В катодолюминесценции сфокусированный пучок электронов возбуждает материал, заставляя его излучать свет. Цвет и интенсивность излучаемого света показывают информацию о том, из чего состоит квантовый излучатель, и о его дефектных участках.
«QuEEN-M — это специально разработанный электронный микроскоп, который использует преимущества современной электронной оптики и детекторов», — добавил Цзянь-Мин Зуо, профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсе. «Подобная исследовательская инфраструктура необходима для развития будущих технологий».
Команда обнаружила, что скручивание слоёв гексагонального нитрида бора под определёнными углами — процесс, который создаёт «скрученные интерфейсы» — делает световой сигнал от квантовых излучателей намного сильнее, иногда до 120 раз. Этот более сильный сигнал позволил исследователям точно определить местоположение излучателей с невероятной точностью, до менее чем 10 нанометров, или 10 миллиардных долей метра.
Используя этот мощный подход, команда определила атомную структуру синего квантового излучателя в гексагональном нитриде бора как пару вертикально расположенных атомов углерода, известных как димер углерода. Более того, исследователи показали, что они могут создавать эти квантовые излучатели по запросу, добавляя углерод в материал и используя электронный пучок для активации излучателей в выбранных местах.
«Как только мы смогли связать атомную структуру со светом, который она излучает, это открыло дверь для точной инженерии этих квантовых излучателей», — объяснил учёный из Аргонны Томас Гейдж. «Теперь мы можем создавать и настраивать их по запросу с помощью электронного пучка».
Эта способность проектировать квантовые излучатели с такой точностью знаменует значительный шаг вперёд для квантовых технологий.
«Возможность размещать эти фотоны с высокой точностью имеет решающее значение для завтрашних квантовых устройств», — отметил учёный из Аргонны Бенджамин Диролл.
Это исследование позволяет создавать материалы с индивидуальными квантовыми свойствами, которые можно размещать точно там, где это необходимо на чипе. Соединяя эти материалы с другими технологиями, учёные могут усилить сигналы и более эффективно обмениваться информацией. Этот прорыв поможет ускорить создание будущих квантовых технологий.
Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией.
work has been published in Advanced Materials.»,»At the Center for Nanoscale Materials (CNM), a DOE Office of Science user facility at Argonne, the team used a state-of-the-art, specialized microscope called QuEEN-M (Quantum Emitter Electron Nanomaterial Microscope) to pinpoint and even create quantum emitters in an ultrathin material known as hexagonal boron nitride.»,»By figuring out the atomic structure responsible for light emission, the researchers have opened the door to designing materials with custom quantum properties for future devices.»,»\»The challenge in studying quantum emitters is that their optical behavior is determined by their atomic structure, which is very hard to observe directly,\» said Jianguo Wen, an Argonne materials scientist.»,»Studying the light emission from quantum emitters usually requires thicker samples, while analyzing their atomic structure needs thinner samples. This tradeoff has made it difficult to fully understand these tiny light sources.»,»To solve this problem, Wen and his team used a technique called cathodoluminescence spectroscopy, along with the high-resolution QuEEN-M microscope.»,»In cathodoluminescence, a focused beam of electrons excites the material, causing it to emit light. The color and intensity of the emitted light reveal information about what the quantum emitter is made of and its defect sites.»,»\»The QuEEN-M is a specially designed electron microscope that takes advantage of modern electron optics and detectors,\» added Jian-Min Zuo, Illinois Grainger Engineering professor of materials science and engineering. \»Research infrastructure like this is essential for advancing future technology.\»»,»The team discovered that twisting layers of hexagonal boron nitride at certain angles—a process that creates \»twisted interfaces\»—makes the light signal from quantum emitters much stronger, sometimes by up to 120 times. This stronger signal allowed the researchers to pinpoint the location of the emitters with incredible accuracy, down to less than 10 nanometers, or 10 billionths of a meter.»,»Using this powerful approach, the team identified the atomic structure of a blue quantum emitter in hexagonal boron nitride as a pair of vertically stacked carbon atoms, known as a carbon dimer. Even more impressively, the researchers showed that they could create these quantum emitters on demand by adding carbon to the material and using the electron beam to activate emitters at chosen spots.»,»\»Once we could connect the atomic structure with the light it gives off, it opened the door to precise engineering of these quantum emitters,\» Argonne scientist Thomas Gage explained. \»We can now create and adjust them on demand using an electron beam.\»»,»This ability to engineer quantum emitters with such precision marks a significant step forward for quantum technology.»,»\»The ability to place these photons with high accuracy is crucial for tomorrow’s quantum devices,\» noted Argonne scientist Benjamin Diroll.»,»This research makes it possible to build materials with custom quantum properties that can be placed exactly where needed on a chip. By doing this, scientists can connect these materials with other technologies to boost signals and share information more efficiently.»,»This breakthrough will help speed up the creation of future quantum technologies.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tArgonne National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник