I ricercatori della Columbia Engineering e della Montana State University riferiscono oggi di aver scoperto che l'applicazione di una tensione sufficiente in un materiale 2-D - diseleniuro di tungsteno (WSe2) - crea stati localizzati che possono produrre emettitori di fotoni singoli. Utilizzando sofisticate tecniche di microscopia ottica sviluppate alla Columbia negli ultimi tre anni, il team è stato in grado di visualizzare direttamente questi stati per la prima volta, rivelando che anche a temperatura ambiente sono altamente sintonizzabili e agiscono come punti quantici, semiconduttori strettamente confinati che emettono luce.

"La nostra scoperta è molto emozionante, perché significa che ora possiamo posizionare un emettitore a singolo fotone dove vogliamo, e sintonizzare le sue proprietà, come il colore del fotone emesso, semplicemente piegando o tendendo il materiale in un punto specifico, "dice James Schuck, professore associato di ingegneria meccanica, che ha co-condotto lo studio pubblicato oggi da Nanotecnologia della natura . "Sapere esattamente dove e come sintonizzare l'emettitore a singolo fotone è essenziale per creare circuiti ottici quantistici da utilizzare nei computer quantistici, o anche nei cosiddetti simulatori "quantistici" che imitano fenomeni fisici troppo complessi per essere modellati con i computer di oggi".

Lo sviluppo di tecnologie quantistiche come computer quantistici e sensori quantistici è un campo di ricerca in rapido sviluppo poiché i ricercatori scoprono come utilizzare le proprietà uniche della fisica quantistica per creare dispositivi che possono essere molto più efficienti, Più veloce, e più sensibile delle tecnologie esistenti. Ad esempio, le informazioni quantistiche, si pensi ai messaggi crittografati, sarebbero molto più sicure.

La luce è costituita da pacchetti discreti di energia noti come fotoni, e le tecnologie quantistiche basate sulla luce si basano sulla creazione e manipolazione di singoli fotoni. "Per esempio, un tipico puntatore laser verde emette oltre 1016 (10 quadrilioni) fotoni ogni secondo con la semplice pressione di un pulsante, " nota Nicholas Borys, assistente professore di fisica presso la Montana State University e co-PI di questo nuovo studio. "Ma sviluppare dispositivi in ​​grado di produrre solo un singolo fotone controllabile con la semplice pressione di un interruttore è estremamente difficile".

I ricercatori sanno da cinque anni che esistono emettitori a singolo fotone in materiali 2-D ultrasottili. La loro scoperta è stata accolta con grande entusiasmo perché gli emettitori a singolo fotone in materiali 2-D possono essere sintonizzati più facilmente, e più facilmente integrabili nei dispositivi, rispetto alla maggior parte degli altri emettitori a singolo fotone. Ma nessuno ha capito le proprietà del materiale sottostante che portano all'emissione di un singolo fotone in questi materiali 2-D. "Sapevamo che esistevano gli emettitori a singolo fotone, ma non sapevamo perché, "dice Schuck.

Nel 2019 è uscito un paper del gruppo di Frank Jahnke, professore all'Istituto di Fisica Teorica dell'Università di Brema, Germania, che ha teorizzato come la deformazione in una bolla può portare a rughe e stati localizzati per l'emissione di un singolo fotone. Schuck, che si concentra sui fenomeni di rilevamento e ingegneria che emergono da nanostrutture e interfacce, fu subito interessato a collaborare con Jahnke. Lui e Borys volevano concentrarsi sul piccolo, rughe su scala nanometrica che si formano sotto forma di ciambelle attorno alle bolle che esistono in questi strati 2-D ultrasottili. le bolle, tipicamente piccole sacche di fluido o gas che rimangono intrappolate tra due strati di materiali 2-D, creare tensione nel materiale e portare alla grinza.

il gruppo di Schuck, e il campo dei materiali 2-D, ha affrontato una grande sfida nello studio delle origini di questi emettitori a singolo fotone:le regioni tese su nanoscala, che emettono la luce dell'interesse, sono molto più piccoli, circa 50, 000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano, che può essere risolto con qualsiasi microscopio ottico convenzionale.

"Ciò rende difficile capire che cosa specificamente nel materiale provoca l'emissione di un singolo fotone:è solo l'alta deformazione? È dovuta a difetti nascosti all'interno della regione deformata?" dice l'autore principale dello studio Tom Darlington, che è un postdoc ed ex ricercatore laureato con Schuck. "Hai bisogno di luce per osservare questi stati, ma le loro dimensioni sono così piccole che non possono essere studiate con microscopi standard".

Lavorando con altri laboratori del Columbia Nano Institute, il team ha attinto alla loro esperienza decennale nella ricerca su nanoscala. Hanno usato sofisticate tecniche di microscopia ottica, compresa la loro nuova capacità di microscopia, per guardare non solo le nanobolle, ma anche dentro di loro. Le loro avanzate tecniche di microscopia "nano-ottica" - i loro "nanoscopi" - hanno permesso loro di visualizzare questi materiali con una risoluzione di ~ 10 nm, rispetto alla risoluzione di circa 500 nm ottenibile con un microscopio ottico convenzionale.

Molti ricercatori hanno pensato che i difetti siano la fonte di emettitori di singoli fotoni nei materiali 2-D, poiché di solito sono in materiali 3D come il diamante. Per escludere il ruolo dei difetti e dimostrare che la sola deformazione potrebbe essere responsabile degli emettitori di singoli fotoni nei materiali 2-D, Il gruppo di Schuck ha studiato i materiali a bassissimo difetto sviluppati dal gruppo di Jim Hone alla Columbia Engineering, parte del Centro per la ricerca scientifica e tecnica sui materiali finanziato dalla NSF. Hanno anche sfruttato nuove strutture a doppio strato sviluppate all'interno del Programmable Quantum Materials Center (un centro di ricerca DOE Energy Frontiers), che forniva bolle ben definite in una piattaforma facilmente studiabile con i "nanoscopi ottici" di Schuck.

"I difetti su scala atomica sono spesso attribuiti a fonti localizzate di emissione di luce in questi materiali, "dice Jeffrey Neaton, un professore di fisica all'UC Berkeley e direttore del laboratorio associato per le scienze energetiche, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, che non è stato coinvolto nello studio. "L'enfasi in questo lavoro sul fatto che lo sforzo da solo, senza la necessità di difetti su scala atomica, potenzialmente impatto sulle applicazioni che vanno dai diodi a emissione di luce a bassa potenza ai computer quantistici."

Schuck, Borys, e i loro team stanno ora esplorando come utilizzare la deformazione per adattare con precisione le proprietà specifiche di questi emettitori a singolo fotone, e sviluppare percorsi verso la progettazione di array indirizzabili e sintonizzabili di questi emettitori per le future tecnologie quantistiche.

"I nostri risultati significano che completamente sintonizzabile, gli emettitori a singolo fotone a temperatura ambiente sono ora alla nostra portata, aprendo la strada a dispositivi fotonici quantistici controllabili e pratici, " Schuck osserva. "Questi dispositivi possono essere la base per le tecnologie quantistiche che cambieranno profondamente l'informatica, rilevamento, e la tecnologia dell'informazione come la conosciamo."