Les défauts ajoutent de la couleur aux systèmes quantiques – ScienceDaily

Dans un avenir bâti sur les technologies quantiques, les avions et les vaisseaux spatiaux pourraient être alimentés par l’élan de la lumière. Les ordinateurs quantiques traverseront des problèmes complexes allant de la chimie à la cryptographie avec une vitesse et une efficacité énergétique plus grandes que les processeurs existants. Mais avant que cet avenir ne se réalise, nous avons besoin de sources lumineuses, sur demande et prévisibles de lumière quantique.

À cette fin, une équipe de scientifiques, physiciens et ingénieurs des matériaux de l’Université de Stanford, en collaboration avec des laboratoires de l’Université de Harvard et de l’Université de Technologie de Sydney, ont étudié le nitrure de bore hexagonal, un matériau qui peut émettre de la lumière vive comme un seul photon – une unité quantique de lumière – à la fois. Et il peut le faire à température ambiante, ce qui le rend plus facile à utiliser par rapport à d’autres sources quantiques.

Malheureusement, le nitrure de bore hexagonal a un inconvénient important: il émet de la lumière dans un arc-en-ciel de différentes teintes. “Bien que cette émission soit magnifique, la couleur ne peut actuellement pas être contrôlée”, a déclaré Fariah Hayee, l’auteur principal et un étudiant diplômé du laboratoire de Jennifer Dionne, professeur agrégé de science des matériaux et d’ingénierie à Stanford. “Nous voulions connaître la source de l’émission multicolore, dans le but ultime de contrôler les émissions.”

En utilisant une combinaison de méthodes microscopiques, les scientifiques ont pu retracer l’émission colorée du matériau jusqu’à des défauts atomiques spécifiques. Un groupe dirigé par la co-auteure Prineha Narang, professeur adjoint de science des matériaux informatiques à l’Université de Harvard, a également développé une nouvelle théorie pour prédire la couleur des défauts en tenant compte de la façon dont la lumière, les électrons et la chaleur interagissent dans le matériau.

“Nous avions besoin de savoir comment ces défauts se couplent à l’environnement et si cela pourrait être utilisé comme une empreinte digitale pour les identifier et les contrôler”, a déclaré Christopher Ciccarino, un étudiant diplômé du NarangLab de l’Université de Harvard et co-auteur de l’article.

Les chercheurs décrivent leur technique et différentes catégories de défauts dans un article publié dans le numéro du 24 mars de la revue Matériaux Nature.

Microscopie multi-échelle

Identifier les défauts qui provoquent l’émission quantique, c’est un peu comme chercher un ami dans une ville surpeuplée sans téléphone portable. Vous savez qu’ils sont là, mais vous devez parcourir toute la ville pour trouver leur emplacement précis.

En étirant les capacités d’un microscope électronique modifié unique développé par le laboratoire Dionne, les scientifiques ont pu faire correspondre la structure locale à l’échelle atomique du nitrure de bore hexagonal à son émission de couleur unique. Au cours de centaines d’expériences, ils ont bombardé le matériau avec des électrons et de la lumière visible et ont enregistré le modèle d’émission de lumière. Ils ont également étudié l’influence de l’arrangement périodique des atomes dans le nitrure de bore hexagonal sur la couleur d’émission.

“Le défi était de révéler les résultats de ce qui peut sembler être un système quantique très compliqué. Une seule mesure ne donne pas une vue d’ensemble”, a déclaré Hayee. “Mais prises ensemble et combinées avec la théorie, les données sont très riches et fournissent une classification claire des défauts quantiques dans ce matériau.”

En plus de leurs découvertes spécifiques sur les types d’émissions de défauts dans le nitrure de bore hexagonal, le processus développé par l’équipe pour collecter et classer ces spectres quantiques pourrait, à lui seul, être transformateur pour une gamme de matériaux quantiques.

“Les matériaux peuvent être fabriqués avec une précision proche de l’échelle atomique, mais nous ne comprenons toujours pas pleinement comment les différents arrangements atomiques influencent leurs propriétés optoélectroniques”, a déclaré Dionne, qui est également directrice de la photonique au Thermodynamic Limits Energy Frontier Research Center ( PTL-EFRC). “L’approche de notre équipe révèle l’émission de lumière à l’échelle atomique, en route vers une multitude de technologies optiques quantiques passionnantes.”

Une superposition de disciplines

Bien que l’accent soit maintenant mis sur la compréhension des défauts qui donnent lieu à certaines couleurs d’émission quantique, l’objectif final est de contrôler leurs propriétés. Par exemple, l’équipe envisage un placement stratégique des émetteurs quantiques, ainsi que l’activation et la désactivation de leurs émissions pour les futurs ordinateurs quantiques.

La recherche dans ce domaine nécessite une approche interdisciplinaire. Ces travaux ont réuni des scientifiques des matériaux, des physiciens et des ingénieurs électriciens, des expérimentateurs et des théoriciens, dont Tony Heinz, professeur de physique appliquée à Stanford et de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory, et Jelena Vučković, professeur Jensen Huang en leadership mondial à l’École d’ingénierie.

“Nous avons pu jeter les bases de la création de sources quantiques avec des propriétés contrôlables, telles que la couleur, l’intensité et la position”, a déclaré Dionne. “Notre capacité à étudier ce problème sous plusieurs angles différents démontre les avantages d’une approche interdisciplinaire.”

D’autres co-auteurs de Stanford de cet article incluent Leo Yu, un chercheur postdoctoral au laboratoire Heinz, et Jingyuan Linda Zhang, qui était un étudiant diplômé au laboratoire Ginzton pendant cette recherche. D’autres co-auteurs incluent des chercheurs de l’Université de Technologie de Sydney en Australie. Dionne est également membre de Stanford Bio-X, une filiale du Precourt Institute for Energy et membre du Wu Tsai Neurosciences Institute de Stanford. Vu? Kovi? est également professeur de génie électrique et membre de Stanford Bio-X et du Wu Tsai Neurosciences Institute.

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