Sistemas que pueden emitir una corriente de fotones individuales, denominadas fuentes de luz cuántica, son componentes de hardware críticos para tecnologías emergentes como la computación cuántica, la internet cuántica, y comunicaciones cuánticas.

En muchos casos, la capacidad de generar luz cuántica bajo demanda requiere la manipulación y el control de átomos o moléculas individuales, empujando el límite de las técnicas de fabricación modernas, y convertir el desarrollo de estos sistemas en un desafío interdisciplinario.

En una nueva investigación, publicado en Materiales de la naturaleza , una colaboración internacional multidisciplinaria liderada por la Universidad de Tecnología de Sydney (UTS), ha descubierto la estructura química detrás de los defectos en el grafeno blanco (nitruro de boro hexagonal, hBN), un nanomaterial bidimensional que se muestra muy prometedor como plataforma para generar luz cuántica.

Los defectos, o imperfecciones de cristales, pueden actuar como fuentes de fotones individuales y la comprensión de su estructura química es fundamental para poder fabricarlos de forma controlada.

"Los emisores de fotón único hBN muestran propiedades ópticas excepcionales, entre los mejores de cualquier sistema de material de estado sólido, sin embargo, Para hacer un uso práctico de ellos, necesitamos comprender la naturaleza del defecto y finalmente hemos comenzado a desentrañar este enigma. "dice el candidato de doctorado de UTS Noah Mendelson y primer autor del estudio.

"Desafortunadamente, no podemos simplemente combinar técnicas poderosas para visualizar átomos individuales directamente con mediciones de óptica cuántica, por lo que obtener esta información estructural es un gran desafío. En cambio, atacamos este problema desde un ángulo diferente, controlando la incorporación de dopantes, como el carbono, en hBN durante el crecimiento y luego comparar directamente las propiedades ópticas de cada uno, " él dijo.

Para realizar este estudio integral, el equipo, dirigido por el profesor Igor Aharonovich, investigador jefe del nodo UTS del Centro de Excelencia ARC para Materiales Metaópticos Transformadores (TMOS), recurrió a colaboradores en Australia y en todo el mundo para proporcionar la variedad de muestras necesarias.

Los investigadores pudieron observar, por primera vez, un vínculo directo entre la incorporación de carbono en la red de hBN y la emisión cuántica.

"Determinar la estructura de los defectos de materiales es un problema increíblemente desafiante y requiere expertos de muchas disciplinas. Esto no es algo que pudiéramos haber hecho solo dentro de nuestro grupo. Solo uniéndonos a colaboradores de todo el mundo cuya experiencia se encuentra en diferentes técnicas de crecimiento de materiales ¿Podríamos estudiar este tema de manera integral? Trabajando juntos, pudimos finalmente brindar la claridad necesaria para la comunidad de investigación en su conjunto, "dijo el profesor Aharonovich.

"Fue particularmente emocionante ya que este estudio fue posible gracias a los nuevos esfuerzos de colaboración con los colaboradores Dipankar Chugh, Hark Hoe Tan y Chennupati Jagadish del nodo TMOS en la Universidad Nacional de Australia, " él dijo.

Los científicos también identificaron otra característica intrigante en su estudio, que los defectos llevan giro, una propiedad fundamental de la mecánica cuántica, y un elemento clave para codificar y recuperar información cuántica almacenada en fotones individuales.

"Confirmar que estos defectos portan el espín abre posibilidades emocionantes para futuras aplicaciones de detección cuántica, específicamente con materiales atómicamente delgados ", dijo el profesor Aharonovich.

El trabajo pone en primer plano un campo de investigación novedoso, Espintrónica cuántica 2-D, y sienta las bases para nuevos estudios sobre la emisión de luz cuántica de hBN. Los autores anticipan que su trabajo estimulará un mayor interés en el campo y facilitará una serie de experimentos de seguimiento, como la generación de pares de fotones entrelazados a partir de hBN, estudios detallados de las propiedades de giro del sistema, y confirmación teórica de la estructura del defecto.

"Este es solo el comienzo, y anticipamos que nuestros hallazgos acelerarán el despliegue de emisores cuánticos de hBN para una gama de tecnologías emergentes, "concluye el Sr. Mendelson.