Sistemas que podem emitir um fluxo de fótons individuais, referidas como fontes de luz quântica, são componentes de hardware críticos para tecnologias emergentes, como computação quântica, a internet quântica, e comunicações quânticas.

Em muitos casos, a capacidade de gerar luz quântica sob demanda requer a manipulação e o controle de átomos ou moléculas individuais, empurrando o limite das técnicas de fabricação modernas, e tornar o desenvolvimento desses sistemas um desafio interdisciplinar.

Em uma nova pesquisa, publicado em Materiais da Natureza , uma colaboração multidisciplinar internacional liderada pela University of Technology Sydney (UTS), descobriu a estrutura química por trás dos defeitos no grafeno branco (nitreto de boro hexagonal, hBN), um nanomaterial bidimensional que mostra grande promessa como uma plataforma para a geração de luz quântica.

Os defeitos, ou imperfeições de cristal, podem atuar como fontes de fóton único e uma compreensão de sua estrutura química é fundamental para ser capaz de fabricá-los de forma controlada.

"Os emissores de fóton único hBN exibem excelentes propriedades ópticas, entre os melhores de qualquer sistema de material de estado sólido, Contudo, para fazer uso prático deles, precisamos entender a natureza do defeito e finalmente começamos a desvendar este enigma, "diz o candidato a Ph.D. da UTS Noah Mendelson e primeiro autor do estudo.

"Infelizmente, não podemos simplesmente combinar técnicas poderosas para visualizar átomos individuais diretamente com medições de óptica quântica, portanto, obter essas informações estruturais é muito desafiador. Em vez disso, atacamos esse problema de um ângulo diferente, controlando a incorporação de dopantes, como carbono, em hBN durante o crescimento e, em seguida, comparando diretamente as propriedades ópticas de cada um, " ele disse.

Para realizar este estudo abrangente, O time, liderado pelo professor Igor Aharonovich, investigador-chefe do nó UTS do Centro de Excelência para Materiais Meta-Óticos Transformativos (TMOS) da ARC, Recorreu a colaboradores na Austrália e em todo o mundo para fornecer a gama de amostras necessária.

Os pesquisadores foram capazes de observar, pela primeira vez, uma ligação direta entre a incorporação de carbono na rede hBN e a emissão quântica.

"Determinar a estrutura de defeitos de material é um problema incrivelmente desafiador e requer especialistas de muitas disciplinas. Isso não é algo que poderíamos ter feito apenas em nosso grupo. Somente em parceria com colaboradores de todo o mundo cuja experiência reside em diferentes técnicas de crescimento de materiais poderíamos estudar esta questão de forma abrangente. Trabalhando juntos fomos finalmente capazes de fornecer a clareza necessária para a comunidade de pesquisa como um todo, "disse o professor Aharonovich.

"Foi particularmente empolgante, pois este estudo foi possibilitado pelos novos esforços de colaboração com os colaboradores Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan e Chennupati Jagadish do nó TMOS na Australian National University, " ele disse.

Os cientistas também identificaram outra característica intrigante em seu estudo, que os defeitos carregam spin, uma propriedade mecânica quântica fundamental, e um elemento-chave para codificar e recuperar informações quânticas armazenadas em fótons únicos.

"A confirmação desses defeitos no carry spin abre possibilidades empolgantes para futuras aplicações de sensoriamento quântico, especificamente com materiais atomicamente finos ", disse o professor Aharonovich.

O trabalho traz à tona um novo campo de pesquisa, Spintrônica quântica 2-D, e estabelece as bases para estudos adicionais em emissão de luz quântica de hBN. Os autores antecipam que seu trabalho estimulará um maior interesse no campo e facilitará uma série de experimentos de acompanhamento, como a geração de pares de fótons emaranhados de hBN, estudos detalhados das propriedades de spin do sistema, e confirmação teórica da estrutura do defeito.

"Isto é apenas o começo, e prevemos que nossas descobertas irão acelerar a implantação de emissores quânticos hBN para uma gama de tecnologias emergentes, "conclui o Sr. Mendelson.