С этой целью группа ученых-материаловедов, физиков и инженеров Стэнфордского университета в сотрудничестве с лабораториями Гарвардского университета и Сиднейского технологического университета исследовала гексагональный нитрид бора, материал, который может излучать яркий свет в виде одного фотона – квантовая единица света – за раз. И он может делать это при комнатной температуре, что упрощает использование по сравнению с альтернативными квантовыми источниками.
К сожалению, гексагональный нитрид бора имеет существенный недостаток: он излучает свет в виде радуги разных оттенков. «Хотя это излучение прекрасное, цвет в настоящее время невозможно контролировать», – сказала Фариа Хейи, ведущий автор и аспирант лаборатории Дженнифер Дионн, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде. «Мы хотели узнать источник многоцветного излучения с конечной целью – получить контроль над излучением."
Используя комбинацию микроскопических методов, ученые смогли проследить красочное излучение материала до конкретных атомных дефектов.
Группа во главе с соавтором Принехой Наранг, доцентом кафедры вычислительного материаловедения Гарвардского университета, также разработала новую теорию для предсказания цвета дефектов, учитывая, как свет, электроны и тепло взаимодействуют в материале.
«Нам нужно было знать, как эти дефекты связаны с окружающей средой и можно ли их использовать в качестве отпечатка пальца для их выявления и контроля», – сказал Кристофер Чиккарино, аспирант лаборатории NarangLab Гарвардского университета и соавтор статьи.
Исследователи описывают свою технику и различные категории дефектов в статье, опубликованной в номере журнала Nature Materials от 24 марта.
Многомасштабная микроскопия
Выявление дефектов, вызывающих квантовую эмиссию, немного похоже на поиск друга в многолюдном городе без мобильного телефона. Вы знаете, что они там, но вам нужно просмотреть весь город, чтобы найти их точное местоположение.
Расширяя возможности единственного в своем роде модифицированного электронного микроскопа, разработанного лабораторией Дионна, ученые смогли сопоставить локальную атомную структуру гексагонального нитрида бора с его уникальной цветовой эмиссией. В ходе сотен экспериментов они бомбардировали материал электронами и видимым светом и регистрировали характер излучения света. Они также изучили, как периодическое расположение атомов в гексагональном нитриде бора влияет на цвет излучения.
"Задача заключалась в том, чтобы извлечь результаты из того, что может показаться очень запутанной квантовой системой. Одно лишь измерение не дает всей картины ", – сказал Хэйи. "Но вместе взятые и в сочетании с теорией данных очень много, и они дают четкую классификацию квантовых дефектов в этом материале."
В дополнение к их конкретным открытиям о типах дефектных выбросов в гексагональном нитриде бора, процесс, разработанный командой для сбора и классификации этих квантовых спектров, сам по себе может быть трансформирующим для ряда квантовых материалов.
«Материалы можно изготавливать с точностью, близкой к атомной, но мы до сих пор не до конца понимаем, как различные атомные структуры влияют на их оптоэлектронные свойства», – сказал Дионн, который также является директором отдела фотоники в Центре исследований термодинамических пределов Energy Frontier ( PTL-EFRC). "Подход нашей команды показывает излучение света в атомном масштабе на пути к множеству захватывающих квантовых оптических технологий."
Суперпозиция дисциплин
Хотя сейчас основное внимание уделяется пониманию того, какие дефекты вызывают определенные цвета квантовой эмиссии, конечная цель состоит в том, чтобы контролировать их свойства.
Например, команда предполагает стратегическое размещение квантовых излучателей, а также включение и выключение их излучения для будущих квантовых компьютеров.
Исследования в этой области требуют междисциплинарного подхода.
Эта работа объединила ученых-материаловедов, физиков и инженеров-электриков, экспериментаторов и теоретиков, в том числе Тони Хайнца, профессора прикладной физики в Стэнфорде и фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, и Елены Вукович, профессора Дженсена Хуанга по глобальному лидерству в Школа инженерии.
«Мы смогли заложить основу для создания квантовых источников с контролируемыми свойствами, такими как цвет, интенсивность и положение», – сказал Дионн. «Наша способность изучать эту проблему с разных сторон демонстрирует преимущества междисциплинарного подхода."
Среди других соавторов этой статьи из Стэнфорда – Лео Ю, научный сотрудник лаборатории Хайнца, и Цзинюань Линда Чжан, которая во время этого исследования была аспирантом лаборатории Гинзтона.
Среди других соавторов исследователи из Сиднейского технологического университета в Австралии. Дионн также является членом Stanford Bio-X, филиала Precourt Institute for Energy и членом Института неврологии Ву Цая в Стэнфорде.
Ву?Кови? также является профессором электротехники и членом Stanford Bio-X и Института неврологии Ву Цая.