Sistemi in grado di emettere un flusso di singoli fotoni, denominate sorgenti di luce quantistica, sono componenti hardware critici per le tecnologie emergenti come l'informatica quantistica, Internet quantistico, e comunicazioni quantistiche.

In molti casi la capacità di generare luce quantistica su richiesta richiede la manipolazione e il controllo di singoli atomi o molecole, spingendo il limite delle moderne tecniche di fabbricazione, e rendere lo sviluppo di questi sistemi una sfida interdisciplinare.

In una nuova ricerca, pubblicato in Materiali della natura , una collaborazione multidisciplinare internazionale guidata dalla University of Technology Sydney (UTS), ha scoperto la struttura chimica dietro i difetti nel grafene bianco (nitruro di boro esagonale, hBN), un nanomateriale bidimensionale che mostra grandi promesse come piattaforma per la generazione di luce quantistica.

I difetti, o imperfezioni di cristallo, possono agire come sorgenti di singoli fotoni e la comprensione della loro struttura chimica è fondamentale per poterli fabbricare in modo controllato.

"Gli emettitori di singoli fotoni hBN mostrano proprietà ottiche eccezionali, tra i migliori di qualsiasi sistema di materiali allo stato solido, però, per farne un uso pratico dobbiamo capire la natura del difetto e finalmente abbiamo iniziato a svelare questo indovinello, ", afferma Noah Mendelson, candidato al dottorato di ricerca UTS e primo autore dello studio.

"Sfortunatamente, non possiamo semplicemente combinare potenti tecniche per visualizzare i singoli atomi direttamente con misurazioni di ottica quantistica, quindi ottenere queste informazioni strutturali è molto impegnativo. Invece abbiamo affrontato questo problema da un'angolazione diversa, controllando l'incorporazione di droganti, come il carbonio, in hBN durante la crescita e quindi confrontando direttamente le proprietà ottiche per ciascuno, " Egli ha detto.

Per realizzare questo studio completo, Il gruppo, guidato dal professor Igor Aharonovich, capo ricercatore del nodo UTS del Centro di eccellenza ARC per i materiali meta-ottici trasformativi (TMOS), si è rivolto a collaboratori in Australia e nel mondo per fornire la gamma di campioni necessari.

I ricercatori hanno potuto osservare, per la prima volta, un collegamento diretto tra l'incorporazione del carbonio nel reticolo hBN e l'emissione quantistica.

"La determinazione della struttura dei difetti dei materiali è un problema incredibilmente impegnativo e richiede esperti di molte discipline. Questo non è qualcosa che avremmo potuto fare da soli all'interno del nostro gruppo. Solo collaborando con collaboratori di tutto il mondo la cui esperienza risiede in diverse tecniche di crescita dei materiali potremmo studiare questo problema in modo completo.Lavorando insieme siamo stati finalmente in grado di fornire la chiarezza necessaria per la comunità di ricerca nel suo insieme, ", ha detto il professor Aharonovich.

"È stato particolarmente entusiasmante in quanto questo studio è stato reso possibile dai nuovi sforzi di collaborazione con i collaboratori Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan e Chennupati Jagadish dal nodo TMOS dell'Australian National University, " Egli ha detto.

Gli scienziati hanno anche identificato un'altra caratteristica interessante nel loro studio, che i difetti portano rotazione, una fondamentale proprietà della meccanica quantistica, e un elemento chiave per codificare e recuperare le informazioni quantistiche archiviate su singoli fotoni.

"La conferma che questi difetti portano lo spin apre possibilità entusiasmanti per future applicazioni di rilevamento quantistico, in particolare con materiali atomicamente sottili." Ha detto il professor Aharonovich.

Il lavoro porta in primo piano un nuovo campo di ricerca, spintronica quantistica 2-D, e pone le basi per ulteriori studi sull'emissione di luce quantistica da hBN. Gli autori prevedono che il loro lavoro stimolerà un maggiore interesse nel campo e faciliterà una serie di esperimenti di follow-up come la generazione di coppie di fotoni entangled da hBN, studi dettagliati delle proprietà di spin del sistema, e conferma teorica della struttura del difetto.

"Questo è solo l'inizio, e prevediamo che i nostri risultati accelereranno l'implementazione di emettitori quantistici hBN per una gamma di tecnologie emergenti, " conclude il signor Mendelson.