Studie beleuchtet Eigenschaften und Versprechen von hexagonalem Bornitrid, das in elektronischen und photonischen Technologien eingesetzt wird

Einzelphotonenemitter (SPE) sind wie mikroskopisch kleine Glühbirnen, die jeweils nur ein Photon (ein Lichtquantum) aussenden. Diese winzigen Strukturen sind für die Entwicklung der Quantentechnologie von immenser Bedeutung, insbesondere für Anwendungen wie sichere Kommunikation und hochauflösende Bildgebung. Allerdings können viele SPE-haltige Materialien aufgrund ihrer hohen Kosten und der Schwierigkeit, sie in komplexe Geräte zu integrieren, nicht in der Massenfertigung eingesetzt werden.

Im Jahr 2015 entdeckten Wissenschaftler SPEs in einem Material namens hexagonalem Bornitrid (hBN). Seitdem hat hBN dank seiner Schichtstruktur und einfachen Handhabung große Aufmerksamkeit und Anwendungen in verschiedenen Quantenfeldern und -technologien, einschließlich Sensoren, Bildgebung, Kryptographie und Computer, erregt.

Die Entstehung von SPEs in hBN ist auf Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur des Materials zurückzuführen, die genauen Mechanismen, die ihre Entwicklung und Funktion steuern, sind jedoch noch unklar. Jetzt wurde eine neue Studie veröffentlicht Natürliche Materialien liefert wichtige Einblicke in die Eigenschaften von hBN und bietet eine Lösung für Diskrepanzen in früheren Untersuchungen zu den vorgeschlagenen Ursprüngen von SPEs im Material.

Die Studie umfasst eine Gemeinschaftsarbeit von drei großen Institutionen: dem CUNY Graduate Center for Advanced Scientific Research (CUNY ASRC); die National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) User Facility im Brookhaven National Laboratory; und das National Institute of Materials Sciences. Gabriele Grosso, Professorin der CUNY ASRC Photonics Initiative und des CUNY Graduate Center Physics Program, und Jonathan Pelliciari, Beamline-Wissenschaftler am NSLS-II, leiteten die Studie.

Die Zusammenarbeit wurde durch ein Gespräch auf dem jährlichen Benutzertreffen des NSLS-II und des Center for Functional Nanomaterials ausgelöst, als Forscher von CUNY ASRC und NSLS-II erkannten, wie ihr einzigartiges Fachwissen, ihre Fähigkeiten und Ressourcen neues Wissen offenbaren könnten, was die Idee entfachte das hBN-Experiment. Die Arbeit brachte Physiker mit unterschiedlichen Fachgebieten und Instrumentierungskenntnissen zusammen, die selten so eng zusammenarbeiten.

Mithilfe fortschrittlicher Techniken, die auf Röntgenstreuung und optischer Spektroskopie basieren, entdeckte das Forschungsteam eine grundlegende energetische Anregung, die bei 285 Millielektronenvolt auftritt. Diese Anregung löst die Erzeugung harmonischer elektronischer Zustände aus, die zu einzelnen Photonen führen, auf die gleiche Weise, wie musikalische Harmonische Töne über mehrere Oktaven erzeugen.

Interessanterweise korrelieren diese Harmonischen mit den SPE-Energien, die in vielen weltweit durchgeführten Experimenten beobachtet wurden. Der Befund verbindet frühere Beobachtungen und liefert eine Erklärung für die bei früheren Befunden beobachtete Variabilität. Die Identifizierung dieser harmonischen Energieskala weist auf einen gemeinsamen zugrunde liegenden Ursprung hin und bringt die verschiedenen Berichte über die Eigenschaften von hBN im letzten Jahrzehnt in Einklang.

„Alle berichteten über unterschiedliche Eigenschaften und Energien einzelner Photonen, die einander zu widersprechen schienen“, sagte Grosso. „Das Schöne an unseren Erkenntnissen ist, dass wir mit einer einzigen Energieskala und Harmonischen all diese Entdeckungen organisieren und verbinden können, von denen angenommen wurde, dass sie völlig unzusammenhängend waren. Unter Verwendung der musikalischen Analogie waren die von Menschen berichteten Eigenschaften einzelner Photonen grundsätzlich unterschiedliche Notizen.“ das gleiche Notenblatt.“

Während Defekte in hBN zu seinen charakteristischen Quantenemissionen führen, stellen sie auch eine erhebliche Herausforderung für die Forschungsbemühungen dar, sie zu verstehen.

„Defekte sind eines der am schwierigsten zu untersuchenden physikalischen Phänomene, da sie sehr lokalisiert und schwer zu reproduzieren sind“, erklärte Pelliciari. „Stellen Sie sich das so vor: Wenn Sie einen perfekten Kreis erstellen möchten, können Sie eine Möglichkeit berechnen, ihn immer zu reproduzieren. Wenn Sie jedoch einen unvollständigen Kreis reproduzieren möchten, ist es viel schwieriger.“

Die Auswirkungen der Arbeit des Teams gehen weit über hBN hinaus. Die Forscher sagen, dass diese Ergebnisse ein Sprungbrett für die Untersuchung von Defekten in anderen SPE-haltigen Materialien darstellen. Das Verständnis der Quantenemission in hBN könnte möglicherweise die Quanteninformationswissenschaft und -technologie voranbringen, sichere Kommunikation erleichtern und leistungsstarke Berechnungen ermöglichen, die die Forschungsbemühungen erheblich erweitern und beschleunigen könnten.

„Diese Ergebnisse sind aufregend, weil sie Messungen über einen weiten Bereich optischer Anregungsenergien miteinander verbinden, von einstelligen bis hin zu Hunderten von Elektronenvolt“, sagte Enrique Mejia, ein Ph.D. Student im Grosso-Labor und Hauptautor der am CUNY ASRC durchgeführten Arbeit. „Wir können Proben mit und ohne SPE klar unterscheiden und nun erklären, wie die beobachteten Harmonischen für eine Vielzahl von Einzelphotonenemitter verantwortlich sind.“