Dans un futur bâti sur les technologies quantiques, les avions et les vaisseaux spatiaux pourraient être alimentés par l'élan de la lumière. Les ordinateurs quantiques vont résoudre des problèmes complexes allant de la chimie à la cryptographie avec une vitesse et une efficacité énergétique supérieures à celles des processeurs existants. Mais avant que cet avenir puisse se réaliser, nous avons besoin de brillant, sur demande, sources prévisibles de lumière quantique.

Vers cette fin, une équipe de scientifiques des matériaux de l'Université de Stanford, physiciens et ingénieurs, en collaboration avec les laboratoires de l'université Harvard et de l'université de technologie de Sydney, ont étudié le nitrure de bore hexagonal, un matériau qui peut émettre une lumière vive sous la forme d'un seul photon (une unité quantique de lumière) à la fois. Et il peut le faire à température ambiante, le rendant plus facile à utiliser par rapport aux sources quantiques alternatives.

Malheureusement, Le nitrure de bore hexagonal a un inconvénient important :il émet de la lumière dans un arc-en-ciel de différentes teintes. "Bien que cette émission soit belle, la couleur ne peut actuellement pas être contrôlée, " a déclaré Fariah Hayee, l'auteur principal et étudiant diplômé du laboratoire de Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford. "Nous voulions connaître la source de l'émission multicolore, dans le but ultime de maîtriser les émissions."

En utilisant une combinaison de méthodes microscopiques, les scientifiques ont pu retracer l'émission colorée du matériau à des défauts atomiques spécifiques. Un groupe dirigé par le co-auteur Prineha Narang, professeur adjoint de science computationnelle des matériaux à l'Université Harvard, a également développé une nouvelle théorie pour prédire la couleur des défauts en tenant compte de la façon dont la lumière, les électrons et la chaleur interagissent dans le matériau.

« Nous avions besoin de savoir comment ces défauts se couplent à l'environnement et si cela pouvait être utilisé comme empreinte digitale pour les identifier et les contrôler, " a déclaré Christophe Ciccarino, un étudiant diplômé du NarangLab de l'Université Harvard et co-auteur de l'article.

Les chercheurs décrivent leur technique et différentes catégories de défauts dans un article publié dans le numéro du 24 mars de la revue Matériaux naturels .

Microscopie multi-échelle

Identifier les défauts qui donnent lieu à l'émission quantique, c'est un peu comme chercher un ami dans une ville surpeuplée sans téléphone portable. Tu sais qu'ils sont là, mais vous devez scanner toute la ville pour trouver leur emplacement précis.

En étendant les capacités d'une pièce unique, microscope électronique modifié développé par le laboratoire Dionne, les scientifiques ont pu faire correspondre le local, structure à l'échelle atomique du nitrure de bore hexagonal avec son émission de couleur unique. Au cours de centaines d'expériences, ils ont bombardé le matériau avec des électrons et de la lumière visible et ont enregistré le schéma d'émission de lumière. Ils ont également étudié comment l'arrangement périodique des atomes dans le nitrure de bore hexagonal influençait la couleur d'émission.

« Le défi consistait à extraire les résultats de ce qui peut sembler être un système quantique très désordonné. Une seule mesure ne donne pas une image complète, " dit Hayee. " Mais pris ensemble, et combiné avec la théorie, les données sont très riches et fournissent une classification claire des défauts quantiques dans ce matériau."

En plus de leurs conclusions spécifiques sur les types d'émissions de défauts dans le nitrure de bore hexagonal, le processus que l'équipe a développé pour collecter et classer ces spectres quantiques pourrait, tout seul, être transformateur pour une gamme de matériaux quantiques.

"Les matériaux peuvent être fabriqués avec une précision proche de l'échelle atomique, mais nous ne comprenons toujours pas pleinement comment différents arrangements atomiques influencent leurs propriétés optoélectroniques, " dit Dionne, qui est également directeur de la photonique au Centre de recherche sur les frontières énergétiques des limites thermodynamiques (PTL-EFRC). "L'approche de notre équipe révèle une émission lumineuse à l'échelle atomique, en route vers une multitude de technologies optiques quantiques passionnantes."

Une superposition de disciplines

Bien que l'accent soit désormais mis sur la compréhension des défauts qui donnent lieu à certaines couleurs d'émission quantique, le but ultime est de contrôler leurs propriétés. Par exemple, l'équipe envisage un placement stratégique des émetteurs quantiques, ainsi que l'activation et la désactivation de leur émission pour les futurs ordinateurs quantiques.

La recherche dans ce domaine nécessite une approche transversale. Ce travail a réuni des scientifiques des matériaux, physiciens et électriciens, à la fois expérimentateurs et théoriciens, dont Tony Heinz, professeur de physique appliquée à Stanford et de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory, et Jelena Vučkovic, le professeur Jensen Huang en leadership mondial à la School of Engineering.

"Nous avons pu jeter les bases de la création de sources quantiques aux propriétés contrôlables, comme la couleur, intensité et position, " a déclaré Dionne. "Notre capacité à étudier ce problème sous plusieurs angles différents démontre les avantages d'une approche interdisciplinaire."