En un futuro construido sobre tecnologías cuánticas, los aviones y las naves espaciales podrían alimentarse con el impulso de la luz. Las computadoras cuánticas resolverán problemas complejos que van desde la química hasta la criptografía con mayor velocidad y eficiencia energética que los procesadores existentes. Pero antes de que este futuro pueda suceder, necesitamos brillante Bajo demanda, fuentes predecibles de luz cuántica.

Hacia este final, un equipo de científicos de materiales de la Universidad de Stanford, físicos e ingenieros, en colaboración con los laboratorios de la Universidad de Harvard y la Universidad de Tecnología de Sydney, han estado investigando nitruro de boro hexagonal, un material que puede emitir luz brillante como un solo fotón (una unidad cuántica de luz) a la vez. Y puede hacer esto a temperatura ambiente, haciéndolo más fácil de usar en comparación con las fuentes cuánticas alternativas.

Desafortunadamente, El nitruro de boro hexagonal tiene una desventaja significativa:emite luz en un arco iris de diferentes tonos. "Si bien esta emisión es hermosa, el color actualmente no se puede controlar, "dijo Fariah Hayee, el autor principal y estudiante de posgrado en el laboratorio de Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford. "Queríamos saber la fuente de la emisión multicolor, con el objetivo final de obtener el control de las emisiones ".

Empleando una combinación de métodos microscópicos, los científicos pudieron rastrear la emisión colorida del material hasta defectos atómicos específicos. Un grupo dirigido por la coautora Prineha Narang, profesor asistente de ciencia de materiales computacionales en la Universidad de Harvard, también desarrolló una nueva teoría para predecir el color de los defectos teniendo en cuenta cómo la luz, los electrones y el calor interactúan en el material.

"Necesitábamos saber cómo se acoplan estos defectos al entorno y si eso se puede utilizar como huella digital para identificarlos y controlarlos". "dijo Christopher Ciccarino, estudiante de posgrado en el NarangLab de la Universidad de Harvard y coautor del artículo.

Los investigadores describen su técnica y diferentes categorías de defectos en un artículo publicado en la edición del 24 de marzo de la revista. Materiales de la naturaleza .

Microscopía multiescala

Identificar los defectos que dan lugar a la emisión cuántica es un poco como buscar un amigo en una ciudad abarrotada sin teléfono celular. Sabes que están ahí pero tienes que escanear toda la ciudad para encontrar su ubicación precisa.

Al ampliar las capacidades de un producto único, microscopio electrónico modificado desarrollado por el laboratorio Dionne, los científicos pudieron igualar el local, Estructura a escala atómica de nitruro de boro hexagonal con su emisión de color única. A lo largo de cientos de experimentos, bombardearon el material con electrones y luz visible y registraron el patrón de emisión de luz. También estudiaron cómo la disposición periódica de los átomos en el nitruro de boro hexagonal influía en el color de la emisión.

"El desafío era desentrañar los resultados de lo que puede parecer un sistema cuántico muy desordenado. Una sola medición no muestra la imagen completa, "dijo Hayee." Pero en conjunto, y combinado con la teoría, los datos son muy ricos y proporcionan una clasificación clara de los defectos cuánticos en este material ".

Además de sus hallazgos específicos sobre los tipos de emisiones de defectos en nitruro de boro hexagonal, el proceso que el equipo desarrolló para recopilar y clasificar estos espectros cuánticos podría, por sí mismo, ser transformador para una variedad de materiales cuánticos.

"Los materiales se pueden fabricar con una precisión cercana a la escala atómica, pero todavía no entendemos completamente cómo los diferentes arreglos atómicos influyen en sus propiedades optoelectrónicas, "dijo Dionne, quien también es director de Fotónica en Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center (PTL-EFRC). "El enfoque de nuestro equipo revela la emisión de luz a escala atómica, en ruta hacia una gran cantidad de emocionantes tecnologías ópticas cuánticas ".

Una superposición de disciplinas

Aunque el enfoque ahora está en comprender qué defectos dan lugar a ciertos colores de emisión cuántica, el objetivo final es controlar sus propiedades. Por ejemplo, el equipo prevé la ubicación estratégica de emisores cuánticos, además de activar y desactivar sus emisiones para futuras computadoras cuánticas.

La investigación en este campo requiere un enfoque multidisciplinario. Este trabajo reunió a científicos de materiales, físicos e ingenieros eléctricos, tanto experimentales como teóricos, incluido Tony Heinz, profesor de física aplicada en Stanford y de ciencia de fotones en el SLAC National Accelerator Laboratory, y Jelena Vučkovic, el Profesor Jensen Huang de Liderazgo Global en la Escuela de Ingeniería.

"Pudimos sentar las bases para la creación de fuentes cuánticas con propiedades controlables, como el color, intensidad y posición, ", dijo Dionne." Nuestra capacidad para estudiar este problema desde varios ángulos diferentes demuestra las ventajas de un enfoque interdisciplinario ".