In un futuro costruito sulle tecnologie quantistiche, aerei e astronavi potrebbero essere alimentati dallo slancio della luce. I computer quantistici affronteranno problemi complessi che vanno dalla chimica alla crittografia con maggiore velocità ed efficienza energetica rispetto ai processori esistenti. Ma prima che questo futuro possa realizzarsi, abbiamo bisogno di luce, su richiesta, fonti prevedibili di luce quantistica.

A tal fine, un team di scienziati dei materiali della Stanford University, fisici e ingegneri, in collaborazione con i laboratori della Harvard University e della University of Technology Sydney, hanno studiato il nitruro di boro esagonale, un materiale che può emettere luce brillante come un singolo fotone, un'unità quantistica di luce, alla volta. E può farlo a temperatura ambiente, rendendolo più facile da usare rispetto alle fonti quantistiche alternative.

Sfortunatamente, il nitruro di boro esagonale ha uno svantaggio significativo:emette luce in un arcobaleno di sfumature diverse. "Mentre questa emissione è bella, il colore attualmente non può essere controllato, " ha detto Fariah Hayee, l'autore principale e uno studente laureato nel laboratorio di Jennifer Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford. "Volevamo conoscere la fonte dell'emissione multicolore, con l'obiettivo finale di ottenere il controllo sulle emissioni."

Utilizzando una combinazione di metodi microscopici, gli scienziati sono stati in grado di tracciare l'emissione colorata del materiale a specifici difetti atomici. Un gruppo guidato dalla co-autrice Prineha Narang, assistente professore di scienze computazionali dei materiali presso l'Università di Harvard, ha anche sviluppato una nuova teoria per prevedere il colore dei difetti tenendo conto di come la luce, elettroni e calore interagiscono nel materiale.

"Avevamo bisogno di sapere come questi difetti si accoppiano con l'ambiente e se questo potesse essere usato come un'impronta digitale per identificarli e controllarli, " disse Cristoforo Ciccarino, uno studente laureato nel NarangLab dell'Università di Harvard e coautore dell'articolo.

I ricercatori descrivono la loro tecnica e le diverse categorie di difetti in un articolo pubblicato nel numero del 24 marzo della rivista Materiali della natura .

Microscopia multiscala

Individuare i difetti che danno origine all'emissione quantistica è un po' come cercare un amico in una città affollata senza cellulare. Sai che sono lì, ma devi scansionare l'intera città per trovare la loro posizione precisa.

Estendendo le capacità di un pezzo unico, microscopio elettronico modificato sviluppato dal laboratorio Dionne, gli scienziati sono stati in grado di abbinare il locale, struttura su scala atomica del nitruro di boro esagonale con la sua emissione di colore unica. Nel corso di centinaia di esperimenti, hanno bombardato il materiale con elettroni e luce visibile e hanno registrato lo schema di emissione della luce. Hanno anche studiato come la disposizione periodica degli atomi nel nitruro di boro esagonale influenzasse il colore dell'emissione.

"La sfida era tirare fuori i risultati da quello che può sembrare un sistema quantistico molto disordinato. Solo una misurazione non dice l'intero quadro, " disse Hayee. "Ma presi insieme, e combinato con la teoria, i dati sono molto ricchi e forniscono una chiara classificazione dei difetti quantistici in questo materiale."

Oltre alle loro scoperte specifiche sui tipi di emissioni di difetti nel nitruro di boro esagonale, il processo sviluppato dal team per raccogliere e classificare questi spettri quantistici potrebbe, da solo, essere trasformativo per una gamma di materiali quantistici.

"I materiali possono essere realizzati con una precisione quasi atomica, ma ancora non capiamo appieno come le diverse disposizioni atomiche influenzino le loro proprietà optoelettroniche, " disse Dionne, che è anche direttore della Photonics presso il Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center (PTL-EFRC). "L'approccio del nostro team rivela l'emissione di luce su scala atomica, in rotta verso una serie di entusiasmanti tecnologie ottiche quantistiche".

Una sovrapposizione di discipline

Sebbene l'attenzione ora sia sulla comprensione di quali difetti danno origine a determinati colori dell'emissione quantistica, l'obiettivo finale è controllare le loro proprietà. Per esempio, il team prevede il posizionamento strategico degli emettitori quantistici, oltre ad attivare e disattivare la loro emissione per i futuri computer quantistici.

La ricerca in questo campo richiede un approccio interdisciplinare. Questo lavoro ha riunito scienziati dei materiali, fisici e ingegneri elettrici, sia sperimentali che teorici, compreso Tony Heinz, professore di fisica applicata a Stanford e di scienza dei fotoni allo SLAC National Accelerator Laboratory, e Jelena Vučkovic, il Jensen Huang Professor in Global Leadership presso la School of Engineering.

"Siamo stati in grado di gettare le basi per la creazione di sorgenti quantistiche con proprietà controllabili, come il colore, intensità e posizione, " ha detto Dionne. "La nostra capacità di studiare questo problema da diverse angolazioni dimostra i vantaggi di un approccio interdisciplinare".