Deformazione dell'emissione quantistica sintonizzabile da difetti atomici nel nitruro di boro esagonale per le telecomunicazioni

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 21673 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio presenta l'estensione della sintonizzabilità degli emettitori Quantum 2D hBN verso le bande ottiche delle telecomunicazioni (banda C da - 1530 a 1560 nm) e UV-C (cieca solare - da 100 a 280 nm) utilizzando incentivi di deformazione esterni, per lungo e corto raggio applicazioni di comunicazione quantistica (distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD)), rispettivamente. Gli emettitori quantistici sono gli elementi costitutivi di base di queste tecnologie QKD (comunicazione o informazione quantistica), che devono emettere singoli fotoni a temperatura ambiente e in grado di sintonizzare la lunghezza d'onda di emissione nell'intervallo necessario sopra. La letteratura recente ha rivelato che gli emettitori quantistici in 2D hBN hanno la capacità di resistere solo a temperature elevate e trattamenti di ricottura aggressivi, ma le previsioni della teoria del funzionale densità (DFT) affermano che hBN può emettere solo singoli fotoni da circa 290 a 900 nm (da UV a quasi -regioni IR). Pertanto, è necessario progettare e ottimizzare ulteriormente la lunghezza d'onda di emissione degli emettitori quantistici hBN sulle bande sopra indicate (necessario per un'efficiente implementazione della QKD). Una delle soluzioni per regolare la lunghezza d'onda dell'emissione è inducendo una tensione esterna. In questo lavoro, esaminiamo la sintonizzabilità dell'emissione quantistica in hBN con difetti puntiformi inducendo tre diverse deformazioni normali utilizzando calcoli DFT. Abbiamo ottenuto l'intervallo di sintonizzabilità fino a 255 nm e 1589,5 nm, per i difetti puntuali, ovvero rispettivamente mono posti vacanti di boro (VB) e mono posti vacanti di boro con atomi di ossigeno (VBO2), che possono migliorare l'implementazione di successo dell'efficiente QKD. Esaminiamo anche la sintonizzabilità degli altri difetti, vale a dire. mono posti vacanti di azoto, mono posti vacanti di azoto con auto-interstiziali, mono posti vacanti di azoto con interstiziali di carbonio, dimeri di carbonio e legami penzolanti di boro, che hanno rivelato l'emissione quantica regolabile nel visibile, altri intervalli dello spettro UV e IR e tale emissione quantica personalizzata può migliorare la nascita di altri dispositivi fotonici quantistici.

Gli emettitori quantici fotoluminescenti che sono sufficientemente vicini alle caratteristiche ideali di emissione di un singolo fotone, in grado di mantenere le proprietà di emissione a temperature operative più elevate, vari ambienti difficili e la possibilità di sintonizzare lo spettro di emissione su un ampio intervallo (intervallo di lunghezze d'onda da superiore a più breve) sono gli elementi centrali per implementare con successo tecnologie dell'informazione quantistica e fotonica quantistica integrata. In particolare, comunicazioni quantistiche robuste richiedono emettitori quantistici che forniscano un'emissione quantistica efficiente nell'intervallo delle telecomunicazioni (banda C) di 1530-1560 nm per distanze a lungo e corto raggio1,2,3 tramite fibre ottiche4 e canali nello spazio libero5,6. La comunicazione quantistica nella regione UV è anche un altro approccio alternativo alle distanze a corto raggio [in condizioni di non linea di vista (NLOS)], che richiede un'emissione quantistica nella regione solare (UV-C) di intervallo 100-280 nm7, 8.

La ricerca all’avanguardia ha rivelato che l’implementazione di tali emettitori quantistici ideali utilizzando materiali stratificati è una delle soluzioni più promettenti9,10,11,12. Tuttavia, è stato riscontrato che gli emettitori quantistici attuali sviluppati in hBN 2D (grafene bianco) mantengono le loro elevate caratteristiche di emissione a temperature operative elevate13 e trattamenti di ricottura vigorosi14, ma mostrano lo spettro di emissione solo dalla regione UV alla regione del vicino IR, cioè intorno a 290– Intervallo di 900 nm15,16. Come tecnica alternativa, i nanotubi di carbonio mostrano un'emissione quantica intorno a 1500 nm17, ma presentano lo svantaggio di un intervallo di emissione ristretto e delle loro basse temperature operative. D'altra parte, i punti quantici possono raggiungere un ampio spettro di emissione18,19. Tuttavia, l’emissione della lunghezza d’onda specifica nei punti quantici richiede disposizioni quantistiche distinte e drogaggio diverso. Pertanto, è difficile ottenere uno spettro di emissione completo ad ampio raggio su un singolo materiale ospite utilizzando punti quantici.