Estudo esclarece propriedades e promessas do nitreto de boro hexagonal, usado em tecnologias eletrônicas e fotônicas
Pesquisadores nos laboratórios do ASRC Prof. Gabriele Grosso (acima, à direita) e NSLS-II no Laboratório Nacional de Brookhaven (abaixo, à direita) usaram instrumentação avançada em suas respectivas instalações para descobrir como emissores de fótons únicos, que têm sido importantes usados em tecnologias quânticas, emergem dentro de cristais hexagonais de nitreto de boro. Crédito:Shante Booker, CUNY ASRC e Kevin Coughlin, Laboratório Nacional de Brookhaven Os emissores de fóton único (SPEs) são semelhantes às lâmpadas microscópicas que emitem apenas um fóton (um quantum de luz) por vez. Estas pequenas estruturas têm imensa importância para o desenvolvimento da tecnologia quântica, particularmente em aplicações como comunicações seguras e imagens de alta resolução. No entanto, muitos materiais que contêm SPEs são impraticáveis para uso na fabricação em massa devido ao seu alto custo e à dificuldade de integrá-los em dispositivos complexos.
Em 2015, os cientistas descobriram SPEs dentro de um material chamado nitreto de boro hexagonal (hBN). Desde então, o hBN ganhou ampla atenção e aplicação em vários campos e tecnologias quânticas, incluindo sensores, imagens, criptografia e computação, graças à sua estrutura em camadas e facilidade de manipulação.
O surgimento de SPEs dentro do hBN decorre de imperfeições na estrutura cristalina do material, mas os mecanismos precisos que governam seu desenvolvimento e função permanecem indefinidos. Agora, um novo estudo publicado na Nature Materials revela insights significativos sobre as propriedades do hBN, oferecendo uma solução para discrepâncias em pesquisas anteriores sobre as origens propostas de SPEs dentro do material.
O estudo envolve um esforço colaborativo que abrange três instituições principais:o Centro de Pesquisa Científica Avançada do Centro de Pós-Graduação CUNY (CUNY ASRC); a instalação do usuário da Fonte de Luz Síncrotron Nacional II (NSLS-II) no Laboratório Nacional de Brookhaven; e o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais. Gabriele Grosso, professor da Iniciativa Fotônica do CUNY ASRC e do programa de Física do CUNY Graduate Center, e Jonathan Pelliciari, cientista de linhas de luz do NSLS-II, lideraram o estudo.
A colaboração foi desencadeada por uma conversa no encontro anual de usuários do NSLS-II e do Centro de Nanomateriais Funcionais, quando pesquisadores do CUNY ASRC e do NSLS-II perceberam como seus conhecimentos, habilidades e recursos únicos poderiam revelar alguns insights novos, gerando a ideia de o experimento hBN. O trabalho reuniu físicos com diversas áreas de especialização e habilidades em instrumentação que raramente colaboram de maneira tão próxima.
Usando técnicas avançadas baseadas em espalhamento de raios X e espectroscopia óptica, a equipe de pesquisa descobriu uma excitação de energia fundamental que ocorre em 285 milielétron-volts. Essa excitação desencadeia a geração de estados eletrônicos harmônicos que dão origem a fótons únicos – semelhante à forma como os harmônicos musicais produzem notas em múltiplas oitavas.
Curiosamente, esses harmônicos se correlacionam com as energias dos SPEs observadas em vários experimentos realizados em todo o mundo. A descoberta conecta observações anteriores e fornece uma explicação para a variabilidade observada em descobertas anteriores. A identificação desta escala de energia harmônica aponta para uma origem subjacente comum e reconcilia os diversos relatórios sobre as propriedades do hBN na última década.
“Todos estavam relatando propriedades e energias diferentes dos fótons individuais que pareciam contradizer-se”, disse Grosso. "A beleza de nossas descobertas é que, com uma única escala de energia e harmônicos, podemos organizar e conectar todas essas descobertas que se pensava serem completamente desconectadas. Usando a analogia da música, as propriedades de um único fóton que as pessoas relataram eram basicamente notas diferentes no mesma partitura."
Embora os defeitos no hBN dêem origem às suas emissões quânticas distintas, eles também apresentam um desafio significativo nos esforços de investigação para os compreender.
“Os defeitos são um dos fenômenos físicos mais difíceis de estudar, porque são muito localizados e difíceis de replicar”, explicou Pelliciari. "Pense desta forma; se você quiser fazer um círculo perfeito, você pode calcular uma maneira de sempre replicá-lo. Mas se você quiser replicar um círculo imperfeito, isso é muito mais difícil."
As implicações do trabalho da equipe vão muito além da hBN. Os pesquisadores dizem que as descobertas são um trampolim para o estudo de defeitos em outros materiais contendo SPEs. A compreensão da emissão quântica em hBN tem o potencial de impulsionar avanços na ciência e nas tecnologias da informação quântica, facilitando comunicações seguras e permitindo uma computação poderosa que pode expandir e agilizar enormemente os esforços de pesquisa.
"Esses resultados são empolgantes porque conectam medições em uma ampla gama de energias de excitação óptica, de um dígito a centenas de elétron-volts", disse Enrique Mejia, Ph.D. aluno do laboratório Grosso e autor principal do trabalho realizado no CUNY ASRC. "Podemos distinguir claramente entre amostras com e sem SPEs, e agora podemos explicar como os harmônicos observados são responsáveis por uma ampla gama de emissores de fótons únicos."
