Esquema de una sonda nanoóptica iluminada con láser que investiga una nanoburbuja deformada de diselenuro de tungsteno (WSe2; bolas verdes y amarillas), un semiconductor bidimensional. La única capa de WSe2 está asentada sobre una capa de nitruro de boro (bolas azules y grises). Crédito:Nicholas Borys / Universidad Estatal de Montana
Investigadores de Columbia Engineering y de la Universidad Estatal de Montana informan hoy que han descubierto que colocar suficiente tensión en un material 2-D — diselenuro de tungsteno (WSe2) — crea estados localizados que pueden producir emisores de fotón único. Utilizando sofisticadas técnicas de microscopía óptica desarrolladas en Columbia durante los últimos tres años, el equipo pudo obtener imágenes directamente de estos estados por primera vez, revelando que incluso a temperatura ambiente son altamente sintonizables y actúan como puntos cuánticos, piezas de semiconductores estrechamente confinadas que emiten luz.
"Nuestro descubrimiento es muy emocionante, porque significa que ahora podemos colocar un emisor de fotón único donde queramos, y afinar sus propiedades, como el color del fotón emitido, simplemente doblando o estirando el material en un lugar específico, "dice James Schuck, profesor asociado de ingeniería mecánica, quien codirigió el estudio publicado hoy por Nanotecnología de la naturaleza . “Saber exactamente dónde y cómo sintonizar el emisor de fotón único es esencial para crear circuitos ópticos cuánticos para su uso en computadoras cuánticas, o incluso en los llamados simuladores 'cuánticos' que imitan fenómenos físicos demasiado complejos para modelarlos con las computadoras actuales ".
El desarrollo de tecnologías cuánticas como las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos es un campo de investigación en rápido desarrollo a medida que los investigadores descubren cómo utilizar las propiedades únicas de la física cuántica para crear dispositivos que pueden ser mucho más eficientes. más rápido, y más sensible que las tecnologías existentes. Por ejemplo, la información cuántica (piense en mensajes cifrados) sería mucho más segura.
La luz está formada por paquetes discretos de energía conocidos como fotones, y las tecnologías cuánticas basadas en la luz se basan en la creación y manipulación de fotones individuales. "Por ejemplo, un puntero láser verde típico emite más de 1016 (10 cuatrillones) de fotones por segundo con solo presionar un botón, "señala Nicholas Borys, profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Montana y co-investigador principal de este nuevo estudio. "Pero desarrollar dispositivos que puedan producir un solo fotón controlable con solo presionar un interruptor es extremadamente difícil".
Los investigadores han sabido durante cinco años que existen emisores de un solo fotón en materiales ultradelgados 2-D. Su descubrimiento fue recibido con mucha emoción porque los emisores de fotón único en materiales 2-D se pueden sintonizar más fácilmente. e integrarse más fácilmente en los dispositivos, que la mayoría de los otros emisores de fotón único. Pero nadie entendió las propiedades de los materiales subyacentes que conducen a la emisión de un solo fotón en estos materiales bidimensionales. "Sabíamos que existían los emisores de un solo fotón, pero no sabíamos por qué "dice Schuck.
En 2019 salió un artículo del grupo de Frank Jahnke, profesor del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Bremen, Alemania, que teorizó cómo la tensión en una burbuja puede provocar arrugas y estados localizados para la emisión de un solo fotón. Schuck, que se centra en la detección y los fenómenos de ingeniería que surgen de nanoestructuras e interfaces, Inmediatamente se interesó en colaborar con Jahnke. Borys y él querían centrarse en lo pequeño, Arrugas a nanoescala que se forman en forma de rosquillas alrededor de las burbujas que existen en estas capas ultradelgadas de 2-D. Las burbujas típicamente pequeñas bolsas de fluido o gas que quedan atrapadas entre dos capas de materiales 2-D, crear tensión en el material y provocar arrugas.
Una imagen de microscopio de fuerza atómica que muestra nanoburbujas formadas entre una sola capa del semiconductor bidimensional WSe2 (1L-WSe2) y una capa de nitruro de boro hexagonal (hBN), un material aislante. A la izquierda, la capa de WSe2 se ha plegado sobre sí misma, formando una bicapa (2L-WSe2), que contiene burbujas y arrugas adicionales. Crédito:Thomas Darlington / Columbia Engineering
El grupo de Schuck, y el campo de los materiales 2-D, enfrentó un gran desafío al estudiar los orígenes de estos emisores de fotón único:las regiones tensas a nanoescala, que emiten la luz de interés, son mucho más pequeños, aproximadamente 50, 000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, de lo que se puede resolver con cualquier microscopio óptico convencional.
"Esto hace que sea difícil entender qué es lo que específicamente en el material da como resultado la emisión de un solo fotón:¿es solo la alta deformación? ¿Es por defectos ocultos dentro de la región deformada?" dice el autor principal del estudio, Tom Darlington, quien es un postdoctorado y ex investigador graduado con Schuck. "Necesitas luz para observar estos estados, pero sus tamaños son tan pequeños que no se pueden estudiar con microscopios estándar ".
Trabajando con otros laboratorios en el Columbia Nano Institute, el equipo se basó en su experiencia de décadas en investigación a nanoescala. Utilizaron sofisticadas técnicas de microscopía óptica, incluida su nueva capacidad de microscopía, para mirar no solo las nanoburbujas, pero incluso dentro de ellos. Sus avanzadas técnicas de microscopía "nanoóptica", sus "nanoscopios", les permitieron obtener imágenes de estos materiales con una resolución de ~ 10 nm. en comparación con la resolución de aproximadamente 500 nm que se puede lograr con un microscopio óptico convencional.
Muchos investigadores han pensado que los defectos son la fuente de emisores de fotones únicos en materiales 2-D, ya que suelen estar en materiales 3-D como el diamante. Para descartar el papel de los defectos y mostrar que la deformación por sí sola podría ser responsable de los emisores de fotones únicos en materiales 2-D, El grupo de Schuck estudió los materiales con defectos ultrabajos desarrollados por el grupo de Jim Hone en Columbia Engineering, parte del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales financiado por la NSF. También aprovecharon las nuevas estructuras bicapa desarrolladas dentro del Centro de Materiales Cuánticos Programables (un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas del DOE), que proporcionó burbujas bien definidas en una plataforma que se estudió fácilmente con los "nanoscopios" ópticos de Schuck.
"Los defectos de escala atómica a menudo se atribuyen a fuentes localizadas de emisión de luz en estos materiales, "dice Jeffrey Neaton, profesor de física en UC Berkeley y director asociado de laboratorio de ciencias de la energía, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que no participó en el estudio. "El énfasis en este trabajo en el hecho de que la tensión por sí sola, sin la necesidad de defectos a escala atómica, aplicaciones potencialmente impactantes que van desde diodos emisores de luz de baja potencia hasta computadoras cuánticas ".
Schuck, Borys, y sus equipos ahora están explorando cómo se puede utilizar la tensión para adaptar con precisión las propiedades específicas de estos emisores de un solo fotón, y desarrollar caminos hacia la ingeniería de arreglos direccionables y sintonizables de estos emisores para futuras tecnologías cuánticas.
"Nuestros resultados significan que totalmente sintonizable, emisores de fotones individuales a temperatura ambiente ahora están a nuestro alcance, allanando el camino para dispositivos fotónicos cuánticos controlables y prácticos, "Schuck observa." Estos dispositivos pueden ser la base de las tecnologías cuánticas que cambiarán profundamente la computación, sintiendo y tecnología de la información tal como la conocemos ".
