Nel 2015, gli scienziati hanno scoperto SPE all'interno di un materiale chiamato nitruro di boro esagonale (hBN). Da allora, hBN ha guadagnato ampia attenzione e applicazione in vari campi e tecnologie quantistici, inclusi sensori, imaging, crittografia e informatica, grazie alla sua struttura a strati e alla facilità di manipolazione.

L'emergere di SPE all'interno dell'hBN deriva da imperfezioni nella struttura cristallina del materiale, ma i meccanismi precisi che ne governano lo sviluppo e la funzione sono rimasti sfuggenti. Ora, un nuovo studio pubblicato su Nature Materials rivela approfondimenti significativi sulle proprietà dell'hBN, offrendo una soluzione alle discrepanze nelle ricerche precedenti sulle origini proposte degli SPE all'interno del materiale.

Lo studio prevede uno sforzo di collaborazione che abbraccia tre importanti istituzioni:l'Advanced Science Research Center presso il CUNY Graduate Center (CUNY ASRC); la struttura utente National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) presso il Brookhaven National Laboratory; e l'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali. Gabriele Grosso, professore presso la Photonics Initiative della CUNY ASRC e il programma di fisica del CUNY Graduate Center, e Jonathan Pelliciari, uno scienziato della linea di luce presso NSLS-II, hanno condotto lo studio.

La collaborazione è nata da una conversazione tenutasi durante l'incontro annuale degli utenti dell'NSLS-II e del Center for Functional Nanomaterials, quando i ricercatori del CUNY ASRC e dell'NSLS-II si sono resi conto di come le loro competenze, abilità e risorse uniche potessero scoprire alcune nuove intuizioni, innescando l'idea di l'esperimento HBN. Il lavoro ha riunito fisici con diverse aree di competenza e competenze relative alla strumentazione che raramente collaborano in modo così stretto.

Utilizzando tecniche avanzate basate sulla diffusione dei raggi X e sulla spettroscopia ottica, il gruppo di ricerca ha scoperto un'eccitazione energetica fondamentale che si verifica a 285 millielettronvolt. Questa eccitazione innesca la generazione di stati elettronici armonici che danno origine a singoli fotoni, in modo simile a come gli armonici musicali producono note su più ottave.

Curiosamente, queste armoniche sono correlate con le energie degli SPE osservate in numerosi esperimenti condotti in tutto il mondo. La scoperta collega osservazioni precedenti e fornisce una spiegazione per la variabilità osservata nei risultati precedenti. L'identificazione di questa scala di energia armonica punta a un'origine sottostante comune e riconcilia i diversi rapporti sulle proprietà hBN nell'ultimo decennio.

"Tutti riferivano proprietà diverse e diverse energie dei singoli fotoni che sembravano contraddirsi tra loro", ha detto Grosso. "La bellezza delle nostre scoperte è che con un'unica scala energetica e armoniche, possiamo organizzare e collegare tutti questi risultati che si pensava fossero completamente disconnessi. Usando l'analogia con la musica, le proprietà dei singoli fotoni riferite dalle persone erano fondamentalmente note diverse sulla scala" stesso spartito."

Sebbene i difetti dell'hBN diano origine alle sue distintive emissioni quantistiche, rappresentano anche una sfida significativa negli sforzi di ricerca per comprenderli.

"I difetti sono uno dei fenomeni fisici più difficili da studiare, perché sono molto localizzati e difficili da replicare", ha spiegato Pelliciari. "Pensalo in questo modo:se vuoi creare un cerchio perfetto, puoi calcolare un modo per replicarlo sempre. Ma se vuoi replicare un cerchio imperfetto, è molto più difficile."

Le implicazioni del lavoro del team vanno ben oltre hBN. I ricercatori affermano che i risultati rappresentano un trampolino di lancio per lo studio dei difetti in altri materiali contenenti SPE. Comprendere l'emissione quantistica nell'hBN ha il potenziale per promuovere progressi nella scienza e nelle tecnologie dell'informazione quantistica, facilitando comunicazioni sicure e consentendo calcoli potenti che possono espandere e accelerare notevolmente gli sforzi di ricerca.

"Questi risultati sono entusiasmanti perché collegano le misurazioni attraverso un'ampia gamma di energie di eccitazione ottica, da singole cifre a centinaia di elettronvolt", ha affermato Enrique Mejia, Ph.D. studente del Grosso lab e autore principale del lavoro condotto presso il CUNY ASRC. "Possiamo distinguere chiaramente tra campioni con e senza SPE e ora possiamo spiegare come le armoniche osservate siano responsabili di un'ampia gamma di emettitori di singoli fotoni."