En un futuro basado en tecnologías cuánticas, los aviones y las naves espaciales podrían ser alimentados por el impulso de la luz. Las computadoras cuánticas enfrentarán problemas complejos que abarcan desde la química hasta la criptografía con mayor velocidad y eficiencia energética que los procesadores existentes. Pero antes de que este futuro pueda llegar a su finPase, necesitamos fuentes de luz cuántica brillantes, a pedido y predecibles.
Con este fin, un equipo de científicos, físicos e ingenieros de materiales de la Universidad de Stanford, en colaboración con laboratorios de la Universidad de Harvard y la Universidad de Tecnología de Sydney, ha estado investigando el nitruro de boro hexagonal, un material que puede emitir luz brillante como un solo fotón- una unidad cuántica de luz - a la vez. Y puede hacerlo a temperatura ambiente, lo que facilita su uso en comparación con fuentes cuánticas alternativas.
Desafortunadamente, el nitruro de boro hexagonal tiene una desventaja significativa: emite luz en un arco iris de diferentes tonos. "Si bien esta emisión es hermosa, el color actualmente no se puede controlar", dijo Fariah Hayee, autora principal y estudiante de posgradoen el laboratorio de Jennifer Dionne, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford: "Queríamos saber la fuente de la emisión multicolor, con el objetivo final de obtener el control sobre la emisión".
Al emplear una combinación de métodos microscópicos, los científicos pudieron rastrear la emisión colorida del material hasta defectos atómicos específicos. Un grupo dirigido por la coautora Prineha Narang, profesora asistente de ciencia de materiales computacionales en la Universidad de Harvard, también desarrolló una nueva teoríapredecir el color de los defectos teniendo en cuenta cómo interactúan la luz, los electrones y el calor en el material.
"Necesitábamos saber cómo estos defectos se unen al medio ambiente y si eso podría usarse como una huella digital para identificarlos y controlarlos", dijo Christopher Ciccarino, un estudiante graduado en el NarangLab de la Universidad de Harvard y coautor del artículo.
Los investigadores describen su técnica y diferentes categorías de defectos en un artículo publicado en la edición del 24 de marzo de la revista Materiales de la naturaleza .
microscopía multiescala
Identificar los defectos que dan lugar a la emisión cuántica es como buscar un amigo en una ciudad llena de gente sin un teléfono celular. Sabes que están allí, pero tienes que escanear la ciudad completa para encontrar su ubicación precisa.
Al ampliar las capacidades de un microscopio electrónico modificado único en su tipo desarrollado por el laboratorio Dionne, los científicos pudieron combinar la estructura local a escala atómica del nitruro de boro hexagonal con su emisión de color única.Durante cientos de experimentos, bombardearon el material con electrones y luz visible y registraron el patrón de emisión de luz. También estudiaron cómo la disposición periódica de los átomos en nitruro de boro hexagonal influyó en el color de emisión.
"El desafío consistía en descifrar los resultados de lo que puede parecer un sistema cuántico muy desordenado. Solo una medida no muestra toda la imagen", dijo Hayee. "Pero en conjunto, y combinados con la teoría, los datoses muy rico y proporciona una clasificación clara de defectos cuánticos en este material "
Además de sus hallazgos específicos sobre los tipos de emisiones de defectos en el nitruro de boro hexagonal, el proceso que el equipo desarrolló para recolectar y clasificar estos espectros cuánticos podría, por sí solo, ser transformador para una gama de materiales cuánticos.
"Los materiales se pueden hacer con una precisión casi a escala atómica, pero aún no entendemos completamente cómo los diferentes arreglos atómicos influyen en sus propiedades optoelectrónicas", dijo Dionne, quien también es directora de Photonics en Thermodynamic Limits Energy Frontier ResearchCentro PTL-EFRC. "El enfoque de nuestro equipo revela la emisión de luz a escala atómica, en el camino hacia una gran cantidad de emocionantes tecnologías ópticas cuánticas".
Una superposición de disciplinas
Aunque el objetivo ahora es comprender qué defectos dan lugar a ciertos colores de emisión cuántica, el objetivo final es controlar sus propiedades. Por ejemplo, el equipo prevé la colocación estratégica de los emisores cuánticos, así como activar y desactivar su emisiónpara futuras computadoras cuánticas.
La investigación en este campo requiere un enfoque interdisciplinario. Este trabajo reunió a científicos de materiales, físicos e ingenieros eléctricos, tanto experimentadores como teóricos, incluido Tony Heinz, profesor de física aplicada en Stanford y de ciencia de fotones en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLACy Jelena Vučković, profesora de Jensen Huang en Liderazgo Global en la Escuela de Ingeniería.
"Pudimos sentar las bases para crear fuentes cuánticas con propiedades controlables, como el color, la intensidad y la posición", dijo Dionne. "Nuestra capacidad para estudiar este problema desde varios ángulos diferentes demuestra las ventajas de un enfoque interdisciplinario".
Los coautores adicionales de Stanford de este artículo incluyen a Leo Yu, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Heinz, y Jingyuan Linda Zhang, que fue un estudiante graduado en el Laboratorio de Ginzton durante esta investigación. Otros coautores incluyen investigadores de la Universidad deTecnología Sydney en Australia. Dionne también es miembro de Stanford Bio-X, afiliado del Instituto Precourt de Energía y miembro del Instituto de Neurociencias Wu Tsai de Stanford. Vu? Kovi? También es profesor de ingeniería eléctrica y miembrode Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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