Pesquisadores da Columbia Engineering e da Montana State University relatam hoje que descobriram que colocar tensão suficiente em um material 2-D - disseleneto de tungstênio (WSe2) - cria estados localizados que podem produzir emissores de fóton único. Usando técnicas sofisticadas de microscopia óptica desenvolvidas em Columbia nos últimos três anos, a equipe conseguiu visualizar diretamente esses estados pela primeira vez, revelando que mesmo em temperatura ambiente eles são altamente sintonizáveis ​​e agem como pontos quânticos, pedaços estreitamente confinados de semicondutores que emitem luz.

"Nossa descoberta é muito emocionante, porque significa que agora podemos posicionar um emissor de fóton único onde quisermos, e ajustar suas propriedades, como a cor do fóton emitido, simplesmente dobrando ou esticando o material em um local específico, "diz James Schuck, professor associado de engenharia mecânica, que co-liderou o estudo publicado hoje por Nature Nanotechnology . "Saber exatamente onde e como sintonizar o emissor de fóton único é essencial para criar circuitos ópticos quânticos para uso em computadores quânticos, ou mesmo nos chamados simuladores 'quânticos' que imitam fenômenos físicos complexos demais para serem modelados com os computadores atuais. "

O desenvolvimento de tecnologias quânticas, como computadores quânticos e sensores quânticos, é um campo de pesquisa em rápido desenvolvimento, à medida que os pesquisadores descobrem como usar as propriedades únicas da física quântica para criar dispositivos que podem ser muito mais eficientes, mais rápido, e mais sensíveis do que as tecnologias existentes. Por exemplo, informações quânticas - pense em mensagens criptografadas - seriam muito mais seguras.

A luz é composta de pacotes discretos de energia conhecidos como fótons, e as tecnologias quânticas baseadas na luz dependem da criação e manipulação de fótons individuais. "Por exemplo, um ponteiro laser verde típico emite mais de 1016 (10 quatrilhões) de fótons a cada segundo com o simples toque de um botão, "observa Nicholas Borys, professor assistente de física na Montana State University e co-PI deste novo estudo. "Mas desenvolver dispositivos que possam produzir apenas um único fóton controlável com o toque de um botão é extremamente difícil."

Os pesquisadores sabem há cinco anos que existem emissores de fóton único em materiais 2-D ultrafinos. Sua descoberta foi recebida com muito entusiasmo porque emissores de fóton único em materiais 2-D podem ser ajustados mais facilmente, e mais facilmente integrado em dispositivos, do que a maioria dos outros emissores de fóton único. Mas ninguém entendeu as propriedades subjacentes do material que levam à emissão de um único fóton nesses materiais 2-D. "Nós sabíamos que os emissores de fóton único existiam, mas não sabíamos porque, "diz Schuck.

Em 2019 saiu um artigo do grupo de Frank Jahnke, professor do Instituto de Física Teórica da Universidade de Bremen, Alemanha, que teorizou como a tensão em uma bolha pode levar a rugas e estados localizados para a emissão de um único fóton. Schuck, que se concentra na detecção e engenharia de fenômenos emergentes de nanoestruturas e interfaces, ficou imediatamente interessado em colaborar com Jahnke. Ele e Borys queriam se concentrar no minúsculo, rugas em nanoescala que se formam na forma de donuts ao redor de bolhas que existem nessas camadas 2-D ultrafinas. As bolhas, normalmente, pequenos bolsões de fluido ou gás que ficam presos entre duas camadas de materiais 2-D, cria tensão no material e leva ao enrugamento.

O grupo de Schuck, e o campo de materiais 2-D, enfrentou um grande desafio no estudo das origens desses emissores de fóton único:as regiões tensas em nanoescala, que emitem a luz de interesse, são muito menores - cerca de 50, 000 vezes menor do que a espessura de um cabelo humano - do que pode ser resolvido com qualquer microscópio óptico convencional.

"Isso torna difícil entender o que especificamente no material resulta na emissão de um único fóton:é apenas a alta deformação? É de defeitos ocultos dentro da região deformada?" diz o autor principal do estudo, Tom Darlington, que é pós-doutorando e ex-pesquisador de pós-graduação da Schuck. "Você precisa de luz para observar esses estados, mas seus tamanhos são tão pequenos que não podem ser estudados com microscópios padrão. "

Trabalhando com outros laboratórios no Columbia Nano Institute, a equipe baseou-se em sua experiência de décadas em pesquisa em nanoescala. Eles usaram técnicas sofisticadas de microscopia óptica, incluindo sua nova capacidade de microscopia, para olhar não apenas para as nano-bolhas, mas mesmo dentro deles. Suas técnicas avançadas de microscopia "nano-óptica" - seus "nanoscópios" - permitiram que eles gerassem imagens desses materiais com resolução de aproximadamente 10 nm, em comparação com a resolução de aproximadamente 500 nm alcançável com um microscópio óptico convencional.

Muitos pesquisadores pensaram que os defeitos são a fonte de emissores de fóton único em materiais 2-D, uma vez que geralmente são materiais 3-D, como o diamante. Para descartar o papel dos defeitos e mostrar que a tensão sozinha pode ser responsável por emissores de fóton único em materiais 2-D, O grupo de Schuck estudou os materiais com defeitos ultrabaixo desenvolvidos pelo grupo de Jim Hone na Columbia Engineering, parte do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais financiado pela NSF. Eles também alavancaram novas estruturas de bicamada desenvolvidas dentro do Programmable Quantum Materials Center (um DOE Energy Frontiers Research Center), que forneceu bolhas bem definidas em uma plataforma que foi facilmente estudada com os "nanoscópios" ópticos de Schuck.

"Defeitos de escala atômica são frequentemente atribuídos a fontes localizadas de emissão de luz nesses materiais, "diz Jeffrey Neaton, um professor de física na UC Berkeley e diretor de laboratório associado para ciências da energia, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que não estava envolvido no estudo. "A ênfase neste trabalho no fato de que só tenso, sem a necessidade de defeitos em escala atômica, aplicativos de impacto potencial que variam de diodos emissores de luz de baixa potência a computadores quânticos. "

Schuck, Borys, e suas equipes agora estão explorando como a tensão pode ser usada para ajustar com precisão as propriedades específicas desses emissores de fóton único, e desenvolver caminhos para a engenharia de matrizes endereçáveis ​​e sintonizáveis ​​desses emissores para futuras tecnologias quânticas.

"Nossos resultados significam que totalmente ajustável, emissores de fóton único à temperatura ambiente estão agora ao nosso alcance, pavimentando o caminho para dispositivos fotônicos quânticos controláveis ​​e práticos, "Schuck observa." Esses dispositivos podem ser a base para tecnologias quânticas que mudarão profundamente a computação, de detecção, e tecnologia da informação como a conhecemos. "