单光子发射器(spe)类似于一次只发射一个光子(量子光)的微型灯泡。这些微小的结构对于量子技术的发展具有巨大的重要性，特别是在安全通信和高分辨率成像等应用中。然而，许多包含spe的材料由于其高成本和难以将其集成到复杂设备中而无法用于大规模生产。
2015年，科学家在一种名为六方氮化硼(hBN)的材料中发现了spe。从那时起，由于其分层结构和易于操作，hBN在各种量子领域和技术中得到了广泛的关注和应用，包括传感器、成像、密码学和计算。
hBN中spe的出现源于材料晶体结构的缺陷，但控制其发展和功能的精确机制仍然难以捉摸。现在，发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的一项新研究揭示了对hBN性质的重要见解，为之前关于材料中spe起源的研究中的差异提供了解决方案。
这项研究涉及三个主要机构的合作努力:纽约市立大学研究生中心的高级科学研究中心(CUNY ASRC);位于布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II (NSLS-II)用户设施;以及美国国家材料科学研究所。Gabriele Grosso是纽约市立大学ASRC光子学计划和纽约市立大学研究生中心物理项目的教授，Jonathan peliciari是NSLS-II的光束线科学家，他们领导了这项研究。
在一年一度的NSLS-II和功能纳米材料中心用户会议上，来自纽约市立大学ASRC和NSLS-II的研究人员意识到他们独特的专业知识、技能和资源如何能够揭示一些新颖的见解，从而激发了hBN实验的想法，从而引发了这次合作。这项工作将具有不同专业领域和仪器技术的物理学家聚集在一起，他们很少以如此密切的方式合作。
利用基于x射线散射和光谱学的先进技术，研究小组发现了285毫伏电子的基本能量激发。这种激发触发谐波电子态的产生，从而产生单个光子——类似于音乐的谐波如何产生跨多个八度的音符。
有趣的是，这些谐波与在世界各地进行的许多实验中观察到的spe能量有关。这一发现将以前的观察联系起来，并为早期发现中观察到的可变性提供了解释。这种谐波能量尺度的识别指出了一个共同的潜在起源，并协调了过去十年中关于hBN特性的各种报告。
格罗索说:“每个人都在报告单个光子的不同性质和不同能量，这些性质和能量似乎相互矛盾。”“我们发现的美妙之处在于，通过单一的能量尺度和谐波，我们可以组织和连接所有这些被认为是完全不相关的发现。用音乐来类比，人们报告的单光子特性基本上是同一张乐谱上的不同音符。”
虽然hBN中的缺陷导致了其独特的量子发射，但它们也对研究工作提出了重大挑战。
“缺陷是最难研究的物理现象之一，因为它们非常局部，很难复制，”peliciari解释说。“这样想吧;如果你想做一个完美的圆，你可以计算出一种总是复制它的方法。但如果你想复制一个不完美的循环，那就困难多了。”
该团队工作的影响远远超出了hBN。研究人员表示，这些发现是研究其他含spe材料缺陷的垫脚石。了解hBN中的量子发射有可能推动量子信息科学和技术的进步，促进安全通信，实现强大的计算，从而大大扩展和加快研究工作。
“这些结果令人兴奋，因为它们连接了从个位数到数百电子伏特的广泛光学激发能的测量，”格罗索实验室的博士生、在纽约市立大学ASRC进行的这项工作的主要作者恩里克·梅贾(Enrique Mejia)说。“我们可以清楚地区分有和没有spe的样品，现在我们可以解释观察到的谐波是如何导致大范围的单光子发射器的。”
更多信息:六方氮化硼中单光子发射体的基本激发，Nature Materials(2024)。DOI: 10.1038 / s41563 - 024 - 01866 - 4
市立大学先进科学研究中心提供
引文:研究揭示了六方氮化硼的性质和前景，用于电子和光子技术(2024,4月23日)，2024年4月23日从https://phys.org/news/2024-04-properties-hexagonal-boron-nitride-electronic.html检索
本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
