En 2015, los científicos descubrieron SPE dentro de un material llamado nitruro de boro hexagonal (hBN). Desde entonces, hBN ha ganado una amplia atención y aplicación en diversos campos y tecnologías cuánticos, incluidos sensores, imágenes, criptografía e informática, gracias a su estructura en capas y su facilidad de manipulación.

La aparición de SPE dentro de hBN se debe a imperfecciones en la estructura cristalina del material, pero los mecanismos precisos que rigen su desarrollo y función siguen siendo difíciles de alcanzar. Ahora, un nuevo estudio publicado en Nature Materials revela información importante sobre las propiedades del hBN, ofreciendo una solución a las discrepancias en investigaciones anteriores sobre los orígenes propuestos de los SPE dentro del material.

El estudio implica un esfuerzo de colaboración que abarca tres instituciones importantes:el Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY (CUNY ASRC); las instalaciones para usuarios de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II) en el Laboratorio Nacional Brookhaven; y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales. Gabriele Grosso, profesor de la Iniciativa de Fotónica de CUNY ASRC y del programa de Física del Centro de Graduados de CUNY, y Jonathan Pelliciari, científico de líneas de luz en NSLS-II, dirigieron el estudio.

La colaboración surgió de una conversación en la reunión anual de NSLS-II y el Centro de Usuarios de Nanomateriales Funcionales cuando investigadores de CUNY ASRC y NSLS-II se dieron cuenta de cómo su experiencia, habilidades y recursos únicos podían descubrir algunos conocimientos novedosos, lo que generó la idea de el experimento hBN. El trabajo reunió a físicos con diversas áreas de especialización y habilidades en instrumentación que rara vez colaboran de manera tan estrecha.

Utilizando técnicas avanzadas basadas en dispersión de rayos X y espectroscopia óptica, el equipo de investigación descubrió una excitación de energía fundamental que se produce a 285 milielectrones voltios. Esta excitación desencadena la generación de estados electrónicos armónicos que dan lugar a fotones individuales, similar a cómo los armónicos musicales producen notas en varias octavas.

Curiosamente, estos armónicos se correlacionan con las energías de los SPE observadas en numerosos experimentos realizados en todo el mundo. El descubrimiento conecta observaciones anteriores y proporciona una explicación de la variabilidad observada en hallazgos anteriores. La identificación de esta escala de energía armónica apunta a un origen subyacente común y concilia los diversos informes sobre las propiedades del hBN durante la última década.

"Todos hablaban de diferentes propiedades y diferentes energías de los fotones individuales que parecían contradecirse entre sí", dijo Grosso. "La belleza de nuestros hallazgos es que con una única escala de energía y armónicos, podemos organizar y conectar todos estos hallazgos que se pensaba que estaban completamente desconectados. Usando la analogía de la música, las propiedades de un solo fotón que la gente reportó eran básicamente notas diferentes en el misma partitura."

Si bien los defectos del hBN dan lugar a sus distintivas emisiones cuánticas, también presentan un desafío importante en los esfuerzos de investigación para comprenderlos.

"Los defectos son uno de los fenómenos físicos más difíciles de estudiar, porque están muy localizados y son difíciles de replicar", explicó Pelliciari. "Piénsalo de esta manera:si quieres hacer un círculo perfecto, puedes calcular una manera de replicarlo siempre. Pero si quieres replicar un círculo imperfecto, eso es mucho más difícil".

Las implicaciones del trabajo del equipo se extienden mucho más allá de hBN. Los investigadores dicen que los hallazgos son un trampolín para estudiar los defectos en otros materiales que contienen SPE. Comprender la emisión cuántica en hBN tiene el potencial de impulsar avances en la ciencia y las tecnologías de la información cuántica, facilitando comunicaciones seguras y permitiendo una computación poderosa que puede expandir y acelerar enormemente los esfuerzos de investigación.

"Estos resultados son interesantes porque conectan mediciones en una amplia gama de energías de excitación óptica, desde un solo dígito hasta cientos de electronvoltios", dijo Enrique Mejía, Ph.D. Estudiante en el laboratorio de Grosso y autor principal del trabajo realizado en CUNY ASRC. "Podemos distinguir claramente entre muestras con y sin SPE, y ahora podemos explicar cómo los armónicos observados son responsables de una amplia gama de emisores de fotones individuales".