Des systèmes pouvant émettre un flux de photons uniques, appelées sources lumineuses quantiques, sont des composants matériels critiques pour les technologies émergentes telles que l'informatique quantique, l'internet quantique, et les communications quantiques.

Dans de nombreux cas, la capacité de générer de la lumière quantique à la demande nécessite la manipulation et le contrôle d'atomes ou de molécules uniques, repousser les limites des techniques de fabrication modernes, et faire du développement de ces systèmes un défi interdisciplinaire.

Dans de nouvelles recherches, Publié dans Matériaux naturels , une collaboration multidisciplinaire internationale dirigée par l'Université de technologie de Sydney (UTS), a découvert la structure chimique derrière les défauts du graphène blanc (nitrure de bore hexagonal, hBN), un nanomatériau bidimensionnel qui est très prometteur en tant que plate-forme pour générer de la lumière quantique.

Les défauts, ou des imperfections cristallines, peuvent agir comme des sources de photons uniques et une compréhension de leur structure chimique est essentielle pour pouvoir les fabriquer de manière contrôlée.

« les émetteurs de photons uniques hBN présentent des propriétés optiques exceptionnelles, parmi les meilleurs de tout système de matériaux à l'état solide, cependant, pour en faire un usage pratique, nous devons comprendre la nature du défaut et nous avons enfin commencé à résoudre cette énigme, ", déclare Noah Mendelson, candidat au doctorat à l'UTS et premier auteur de l'étude.

"Malheureusement, nous ne pouvons pas simplement combiner des techniques puissantes pour visualiser directement des atomes isolés avec des mesures d'optique quantique, il est donc très difficile d'obtenir ces informations structurelles. Au lieu de cela, nous avons attaqué ce problème sous un angle différent, en contrôlant l'incorporation de dopants, comme le carbone, en hBN au cours de la croissance puis en comparant directement les propriétés optiques de chacun, " il a dit.

Pour réaliser cette étude approfondie, l'équipe, dirigé par le professeur Igor Aharonovich, chercheur en chef du nœud UTS du Centre d'excellence ARC pour les matériaux méta-optiques transformateurs (TMOS), s'est tourné vers des collaborateurs en Australie et dans le monde pour fournir la gamme d'échantillons nécessaires.

Les chercheurs ont pu observer, pour la première fois, un lien direct entre l'incorporation de carbone dans le réseau hBN et l'émission quantique.

« Déterminer la structure des défauts des matériaux est un problème incroyablement difficile et nécessite des experts de nombreuses disciplines. Ce n'est pas quelque chose que nous aurions pu faire au sein de notre groupe seul. Seulement en faisant équipe avec des collaborateurs du monde entier dont l'expertise réside dans différentes techniques de croissance des matériaux. pourrions-nous étudier cette question de manière approfondie. En travaillant ensemble, avons-nous enfin pu apporter la clarté nécessaire à l'ensemble de la communauté de la recherche, " a déclaré le professeur Aharonovich.

"C'était particulièrement excitant car cette étude a été rendue possible par les nouveaux efforts de collaboration avec les collaborateurs Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan et Chennupati Jagadish du nœud TMOS à l'Université nationale australienne, " il a dit.

Les scientifiques ont également identifié une autre caractéristique intrigante dans leur étude, que les défauts portent du spin, une propriété fondamentale de la mécanique quantique, et un élément clé pour coder et récupérer les informations quantiques stockées sur des photons uniques.

"Confirmer que ces défauts portent le spin ouvre des possibilités passionnantes pour les futures applications de détection quantique, spécifiquement avec des matériaux atomiquement minces », a déclaré le professeur Aharonovich.

Le travail met au premier plan un nouveau domaine de recherche, spintronique quantique 2D, et jette les bases d'autres études sur l'émission de lumière quantique à partir de hBN. Les auteurs prévoient que leurs travaux stimuleront un intérêt accru dans le domaine et faciliteront une gamme d'expériences de suivi telles que la génération de paires de photons intriqués à partir de hBN, études détaillées des propriétés de spin du système, et la confirmation théorique de la structure du défaut.

"Ce n'est que le début, et nous prévoyons que nos découvertes accéléreront le déploiement d'émetteurs quantiques hBN pour une gamme de technologies émergentes, " conclut M. Mendelson.