Temporal coherence of single photons emitted by hexagonal Boron Nitride defects at room temperature
Deze studie toont aan dat hoewel defecten in hexagonaal boornitride bij kamertemperatuur enkelvoudige fotonen uitzenden, hun temporele coherentie ernstig wordt beperkt door snelle fonon-dephasering-processen, wat aangeeft dat cryogene temperaturen noodzakelijk zijn voor levensvatbare kwantumfotonische toepassingen die vertrouwen op fotoninterferentie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de zoektocht naar het bouwen van een nieuw soort technologie gebaseerd op de vreemde regels van de kwantumfysica, zoeken wetenschappers naar betrouwbare bronnen van enkelvoudige lichtdeeltjes. Deze bronnen zijn essentieel voor taken zoals ultra-beveiligde communicatie en krachtige computertechnologie, waarbij informatie wordt gedragen door individuele fotonen in plaats van stromen elektriciteit. Om deze systemen te laten werken, moeten de fotonen niet alleen één voor één worden uitgezonden, maar moeten ze ook identiek aan elkaar zijn, in staat om te overlappen en te interfereren als rimpelingen in een vijver. Dit vermogen om in pas te blijven, bekend als temporele coherentie, is de sleutel die het potentieel van kwantumnetwerken ontsluit. Hoewel sommige materialen deze perfecte fotonen kunnen produceren, vereisen ze vaak extreme kou om te functioneren, wat ze onpraktisch maakt voor dagelijks gebruik. Hexagonaal boornitride, een materiaal zo dun als een enkel vel papier, is een veelbelovende kandidaat geworden omdat het bij kamertemperatuur licht kan uitzenden, wat een pad biedt naar kwantumapparaten die geen omvangrijke koeling nodig hebben.
Een team van onderzoekers zette zich scharpe om te testen of deze emissiebronnen bij kamertemperatuur werkelijk aan de strikte eisen van kwantuminterferentie kunnen voldoen. Ze richtten zich op minuscule defecten binnen kristallen van hexagonaal boornitride, die fungeren als natuurlijke bronnen van enkelvoudige fotonen. De wetenschappers wilden meten hoe lang het licht van deze defecten coherent blijft, of in pas blijft met zichzelf, voordat de chaotische trillingen van de atomen in het materiaal het signaal verstoren. Hiervoor gebruikten ze een klassiek instrument uit de optica, een Michelson-interferometer, die een lichtstraal in twee paden splitst en deze vervolgens weer combineert. Door de lengte van één pad zorgvuldig aan te passen, konden ze een minimale vertraging introduceren tussen de twee helften van de lichtstraal. Als de fotonen perfect coherent zijn, zullen ze met elkaar interfereren om een zichtbaar patroon van heldere en donkere banden te creëren. Als de coherentie verloren gaat, verdwijnt dit patroon.
De experimenten onthulden een harde realiteit over het gedrag van deze emissiebronnen bij kamertemperatuur. Wanneer de onderzoekers een vertraging introduceerden van slechts enkele honderden femtoseconden — een tijdschaal zo kort dat het een quadriljonddeel van een seconde is — verdween het interferentiepatroon volledig. Dit snelle verlies van coherentie betekende dat de trillingen van de atomen binnen het kristal, bekend als fononen, het licht bijna onmiddellijk verstoorden. De studie toonde aan dat deze verstorende processen vier ordes van grootte sneller plaatsvinden dan de tijd die het defect nodig heeft om van nature een foton uit te zenden. In simpelere termen: het licht verliest zijn vermogen om met zichzelf te interfereren nog voordat het atoom zelfs maar klaar is met de taak van het vrijlaten ervan. De onderzoekers onderzochten ook hoe de kleur van de laser die de defecten exciteert, dit gedrag beïnvloedde. Ze ontdekten dat hoewel het veranderen van de laserkleur de helderheid en de specifieke mix van uitgezonden licht veranderde, het de snelle afname van coherentie door de warmte en trillingen van de omgeving bij kamertemperatuur niet significant vertraagde.
Het team bevestigde ook dat deze defecten inderdaad enkelvoudige fotonbronnen zijn, wat betekent dat ze lichtdeeltjes één voor één vrijgeven, een fundamentele vereiste voor kwantumtoepassingen. Echter, de snelheid waarmee de coherentie verloren gaat, suggereert dat de sterke interactie tussen het elektron en het trillende kristalrooster de dominante factor is. Deze interactie is zo krachtig bij kamertatuur dat het effectief het gebruik van deze specifieke emissiebronnen voor protocollen die afhankelijk zijn van fotoninterferentie, zoals het creëren van verstrengelde paren deeltjes, verhindert. De onderzoekers merkten op dat hoewel de defecten helder en stabiel genoeg zijn voor bepaalde soorten kwantumcommunicatie die geen interferentie vereisen, de droom om deze voor meer geavanceerde kwantumcomputeropdrachten bij kamertemperatuur te gebruiken, buiten bereik blijft.
Uiteindelijk concludeert de studie dat om het volledige potentieel van deze hexagonaal boornitride-defecten te benutten, de omgeving aanzienlijk moet worden afgekoeld. De waargenomen snelle dephasering is een direct gevolg van de thermische energie die bij kamertemperatuur aanwezig is, die het kristalrooster in beweging brengt. De auteurs suggereren dat toekomstig werk zich moet richten op het plaatsen van deze defecten in optische holtes bij cryogene temperaturen, waar de trillingen worden "bevroren", waardoor de fotonen hun coherentie lang genoeg kunnen behouden om bruikbaar te zijn voor complexe kwantumoperaties. Voor nu dienen de bevindingen als een duidelijke grensmarkering: hoewel hexagonaal boornitride een fascinerend materiaal is voor lichtemissie bij kamertemperatuur, is de huidige vorm nog geen oplossing voor de meest veeleisende interferentie-gebaseerde kwantumtechnologieën zonder de hulp van extreme kou.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.