20.04.2020 - University of Technology, Sydney

Licht für Quantentechnologien aus dehnbaren Atomlagen

Größter Spektral- und Farbabstimmungsbereich von einem atomar dünnen Quantensystem demonstriert

Forscher präsentieren Ergebnisse, bei denen ein atomar dünnes Material, hexagonales Bornitrid, verwendet wurde, einen bedeutenden Fortschritt für das Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkungen von Quantensystemen in 2D-Materialien und die Reise zu skalierbaren On-Chip-Geräten für Quantentechnologien darstellen. Die Studie ist in Advanced Materials veröffentlicht.

Die Fähigkeit, die Farben des Quantenlichts fein abzustimmen, wurde als ein Schlüsselschritt bei der Entwicklung von Quanten-Netzwerkarchitekturen vorgeschlagen, bei denen Photonen, der fundamentale Baustein des Lichts, als Quantenboten für die Kommunikation zwischen entfernten Orten genutzt werden.

Die Wissenschaftler nutzten die extreme Dehnbarkeit von hexagonalem Bornitrid, auch als "weißes Graphen" bekannt, in einem solchen Ausmaß, dass sie einen Weltrekord für den größten spektralen, farbabstimmenden Bereich eines atomar dünnen Quantensystems nachweisen konnten.

Der Hauptautor, UTS-Doktorand Noah Mendelson, sagte, dass die nachgewiesene Verbesserung der spektralen Abstimmung um fast eine Größenordnung das Interesse sowohl akademischer als auch industrieller Gruppen wecken würde, "die an der Entwicklung von Quantennetzwerken und verwandten Quantentechnologien arbeiten".

"Dieses Material wurde im Labor an der UTS mit einigen 'Kristallfehlern' im atomaren Maßstab gezüchtet, die ultrahelle und extrem stabile Quantenquellen sind.

"Durch Dehnung des atomar dünnen Materials, um eine mechanische Ausdehnung der Quantenquelle zu induzieren, führte dies wiederum zu dem dramatischen Abstimmbereich der von der Quantenlichtquelle emittierten Farben", sagte er.

"Als das hexagonale Bornitrid auf nur wenige Atomschichten dick gedehnt wurde, begann das emittierte Licht seine Farbe von orange nach rot zu ändern, ähnlich wie die LED-Leuchten an einem Weihnachtsbaum, aber im Quantenbereich", sagt UTS-Doktorand Noah Mendelson.

"Eine solche Farbabstimmung auf der Quantenebene zu sehen, ist nicht nur aus fundamentaler Sicht eine erstaunliche Leistung, sondern wirft auch ein Licht auf viele potenzielle Anwendungen im Bereich der Quantenwissenschaft und des Quanten-Engineering", fügt er hinzu.

Im Gegensatz zu anderen Nanomaterialien, die als Quantenlichtquellen verwendet werden, wie Diamant, Siliziumkarbid oder Galliumnitrid, ist hexagonales Bornitrid nicht spröde und verfügt über die einzigartigen dehnbaren mechanischen Eigenschaften eines Van-der-Waals-Kristalls.

"Wir waren schon immer erstaunt über die überlegenen Eigenschaften des hexagonalen Bornitrids, seien sie mechanischer, elektrischer oder optischer Natur. Solche Eigenschaften ermöglichen nicht nur einzigartige physikalische Experimente, sondern könnten in naher Zukunft auch Türen zu einer Fülle praktischer Anwendungen öffnen", sagt UTS-Professor Igor Aharonovich, ein leitender Autor der Arbeit und Chef-Forscher des ARC-Exzellenzzentrums für Transformative Meta-Optische Materialien (TMOS).

Das UTS-Team von Experimentalphysikern unter der Leitung von Dr. Trong Toan Tran war von der ersten Beobachtung des exotischen Phänomens an der Meinung, etwas sehr Faszinierendes entdeckt zu haben.

"Wir haben uns schnell mit einem der weltweit führenden theoretischen Physiker auf diesem Gebiet, Dr. Marcus Doherty von der ANU, zusammengetan, um zu versuchen, die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, die für den beeindruckenden Bereich der Farbabstimmung verantwortlich sind. Die gemeinsamen Bemühungen von UTS und ANU führten zu einem vollständigen Verständnis des Phänomens, das durch ein robustes theoretisches Modell voll unterstützt wird", sagte Dr. Toan Tran.

Das Team bereitet nun seine Nachfolgearbeit vor: die Durchführung eines Proof-of-Principle-Experiments, bei dem die beiden ursprünglich verschiedenfarbigen Photonen von zwei gestreckten Quantenquellen in hexagonalem Bornitrid verschränkt werden, um ein Quantenbit oder (Qubit) - den Baustein eines Quantennetzwerks - zu bilden.

"Wir glauben, dass der Erfolg unserer Arbeit neue Wege für mehrere grundlegende Physikexperimente eröffnet hat, die den Grundstein für das zukünftige Quanten-Internet legen könnten", schlussfolgert Dr. Toan Tran.

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