Em um futuro baseado em tecnologias quânticas, aviões e naves espaciais poderiam ser alimentados pelo impulso da luz. Os computadores quânticos resolverão problemas complexos que vão da química à criptografia com maior velocidade e eficiência energética do que os processadores existentes. Mas antes que esse futuro possa acontecer, precisamos de brilho, sob demanda, fontes previsíveis de luz quântica.

Para este fim, uma equipe de cientistas de materiais da Universidade de Stanford, físicos e engenheiros, em colaboração com laboratórios da Harvard University e da University of Technology Sydney, têm investigado nitreto de boro hexagonal, um material que pode emitir luz brilhante como um único fóton - uma unidade quântica de luz - por vez. E pode fazer isso em temperatura ambiente, tornando mais fácil de usar em comparação com fontes quânticas alternativas.

Infelizmente, o nitreto de boro hexagonal tem uma desvantagem significativa:ele emite luz em um arco-íris de diferentes matizes. "Embora essa emissão seja linda, a cor atualmente não pode ser controlada, "disse Fariah Hayee, o autor principal e um estudante graduado no laboratório de Jennifer Dionne, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford. "Queríamos saber a origem da emissão multicolorida, com o objetivo final de obter controle sobre as emissões. "

Ao empregar uma combinação de métodos microscópicos, os cientistas foram capazes de rastrear a emissão colorida do material até defeitos atômicos específicos. Um grupo liderado pela co-autora Prineha Narang, professor assistente de ciência dos materiais computacionais na Universidade de Harvard, também desenvolveu uma nova teoria para prever a cor dos defeitos levando em consideração como a luz, elétrons e calor interagem no material.

"Precisávamos saber como esses defeitos se associam ao ambiente e se isso poderia ser usado como uma impressão digital para identificá-los e controlá-los, "disse Christopher Ciccarino, um estudante de graduação no NarangLab na Universidade de Harvard e co-autor do artigo.

Os pesquisadores descrevem sua técnica e diferentes categorias de defeitos em artigo publicado na edição de 24 de março da revista. Materiais da Natureza .

Microscopia multiescala

Identificar os defeitos que dão origem à emissão quântica é um pouco como procurar um amigo em uma cidade populosa sem um celular. Você sabe que eles estão lá, mas você precisa examinar toda a cidade para encontrar sua localização precisa.

Ampliando as capacidades de um único tipo, microscópio eletrônico modificado desenvolvido pelo laboratório Dionne, os cientistas foram capazes de combinar o local, Estrutura em escala atômica de nitreto de boro hexagonal com sua emissão de cor única. Ao longo de centenas de experimentos, eles bombardearam o material com elétrons e luz visível e registraram o padrão de emissão de luz. Eles também estudaram como o arranjo periódico de átomos no nitreto de boro hexagonal influenciava a cor de emissão.

"O desafio era extrair os resultados do que pode parecer um sistema quântico muito confuso. Apenas uma medição não mostra o quadro completo, "disse Hayee." Mas, em conjunto, e combinado com a teoria, os dados são muito ricos e fornecem uma classificação clara dos defeitos quânticos neste material. "

Além de suas descobertas específicas sobre os tipos de emissões de defeitos em nitreto de boro hexagonal, o processo que a equipe desenvolveu para coletar e classificar esses espectros quânticos poderia, sozinho, ser transformador para uma variedade de materiais quânticos.

"Os materiais podem ser feitos com precisão próxima à escala atômica, mas ainda não entendemos completamente como diferentes arranjos atômicos influenciam suas propriedades optoeletrônicas, "disse Dionne, que também é diretor do Photonics no Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center (PTL-EFRC). "A abordagem de nossa equipe revela a emissão de luz em escala atômica, a caminho de uma série de tecnologias ópticas quânticas empolgantes. "

Uma superposição de disciplinas

Embora o foco agora seja entender quais defeitos dão origem a certas cores de emissão quântica, o objetivo final é controlar suas propriedades. Por exemplo, a equipe prevê o posicionamento estratégico de emissores quânticos, bem como ligar e desligar sua emissão para futuros computadores quânticos.

A pesquisa neste campo requer uma abordagem interdisciplinar. Este trabalho reuniu cientistas de materiais, físicos e engenheiros elétricos, tanto experimentalistas quanto teóricos, incluindo Tony Heinz, professor de física aplicada em Stanford e de ciência de fótons no SLAC National Accelerator Laboratory, e Jelena Vučkovic, o Professor Jensen Huang em Liderança Global na Escola de Engenharia.

"Pudemos lançar as bases para a criação de fontes quânticas com propriedades controláveis, como cor, intensidade e posição, "disse Dionne." Nossa capacidade de estudar este problema de vários ângulos diferentes demonstra as vantagens de uma abordagem interdisciplinar. "