Deterministic positioning accuracy of B centers in hBN by electron irradiation

In de zoektocht naar de volgende generatie kwantumcomputers en veilige communicatienetwerken, zoeken wetenschappers naar piepkleine, betrouwbare lichtbronnen die informatie kunnen dragen, één foton per keer. Stel je een enkel deeltje licht voor dat met perfecte precisie aan- en uitgeschakeld kan worden, als een drager van kwantumdata. Om deze systemen te laten werken, moeten onderzoekers deze lichtbronnen precies plaatsen waar ze nodig zijn, vaak binnen microscopische structureen die hun signaal geleiden en versterken. Het materiaal van keuze voor deze taak is hexagonaal boornitride, een kristal dat zo dun is als een vel papier maar ongelooflijk sterk en stabiel is. Binnen dit kristal kunnen wetenschappers specifieke defecten creëren—kleine imperfecties in de atomaire structuur—die met een uniek, helder licht oplichten. Deze defecten zijn de enkelvoudige foton-emittenten, de essentiële bouwstenen voor toekomstige kwantumtechnologieën. Het creëren van deze defecten is echter niet genoeg; ze moeten met extreme nauwkeurigheid worden geplaatst. Als een lichtbron zelfs maar iets uit het midden zit in een minuscuul optisch apparaat, kan het apparaat mogelijk niet werken, vergelijkbaar met een sleutel die een klein beetje verbogen is en daardoor niet in het slot past.

Een team van onderzoekers aan de Université Paris-Saclay in Frankrijk heeft een belangrijke stap gezet richting het oplossen van dit plaatsingsprobleem. Ze richtten zich op een specifiek type defect in boornitride dat bekend staat als een "B-centrum", dat een duidelijk blauw licht uitzendt. Deze defecten kunnen op aanvraag worden gecreëerd door een bundel elektronen op het kristal af te vuren, een proces dat bestaande, onzichtbare imperfecties transformeert in de gewenste lichtbronnen. De uitdaging ligt in het weten waar de elektronenbundel zich precies bevindt wanneer deze het licht creëert. De onderzoekers zetten zich het doel om te meten hoe nauwkeurig zij deze nieuwe lichtbronnen kunnen positioneren ten opzichte van de plek waar zij de bedoeling hadden ze te plaatsen. Door roosters van deze emittenten te creëren en de afstand tussen het beoogde doel en de werkelijke locatie van het licht te meten, ontdekten zij dat het proces zeer nauwkeurig is, waarbij de lichtbronnen verschijnen binnen een bereik van ongeveer 40 nanometer van hun doelwit. Dit niveau van precisie is voldoende voor veel huidige toepassingen, maar het team ging verder om precies te begrijpen wat deze nauwkeurigheid beperkt en hoe dit verbeterd kan worden.

Om dit te bereiken, gebruikten de wetenschappers een geavanceerde opstelling in een scannende elektronenmicroscoop, een krachtig instrument dat een gefocuste bundel elektronen gebruikt om materialen te beelden en te modificeren. Ze plaatsten een dunne plak van een boornitridekristal onder de bundel en begonnen met het creëren van arrays van lichtbronnen. Terwijl de elektronenbundel over het kristal scande, keken de onderzoekers in realtime naar een monitor, op zoek naar het moment waarop een nieuwe lichtbron verscheen. Op het moment dat de specifieke blauwe gloed van een B-centrum werd gedetecteerd, stopte de bundel onmiddellijk en bewoog naar de volgende plek op het rooster. Deze methode stelde hen in staat om nauwkeurige patronen van individuele lichtbronnen te creëren. Zodra het creatieproces voltooid was, gebruikten ze een ander type microscoop om de exacte locaties van deze nieuwe bronnen in kaart te brengen. Door de kaart van waar het licht daadwerkelijk verscheen te vergelijken met het rooster van waar de onderzoekers de bedoeling hadden ze te plaatsen, konden zij de fout in de positionering berekenen.

De analyse toonde aan dat de totale fout bij het plaatsen van deze lichtbronnen een standaarddeviatie bedroeg van ongeveer 4onometer. Om te begrijpen waarom de lichtbronnen niet exact op het doelwit landden, deelden de onderzoekers de fout op in vier afzonderlijke oorzaken. Ten eerste is er de inherente precisie van het apparaat zelf, dat bepaalt waar de elektronenbundel naartoe wijst; dit droeg ongeveer 18 nanometer aan onzekerheid bij. Ten tweede is er de moeilijkheid om het exacte centrum van de lichtbron te bepalen zodra deze is gecreëerd, wat 8 nanometer aan onzekerheid toevoegde. De derde, en meest significante factor, was de fysieke interactie tussen de elektronenbundel en het kristal. Wanneer de bundel het materiaal raakt, beïnvloedt deze niet slechts één enkel punt; de energie verspreidt zich lichtjes terwijl deze door het kristal reist, waardoor een kleine zone ontstaat waarin de transformatie kan plaatsvinden. Deze spreiding betekende dat de lichtbron overal binnen een klein gebied rond het centrum van de bundel gecreëerd kon worden, wat ongeveer 27 nanometer bijdroeg aan de totale fout.

De vierde factor was een kwestie van toeval gerelateerd aan de ingrediënten die in het kristal aanwezig zijn. Om een B-centrum te creëren, moet de elektronenbundel een specifiek type reeds bestaand defect vinden, namelijk een paar koolstofatomen, om dit te transformeren. Als deze koolstofparen schaars zijn, moet de bundel misschien iets verder reizen of moet de energie zich meer verspreiden om er een te vinden om te converteren, wat nog een laag van willekeur toevoegt. De onderzoekers berekenden dat deze schaarste aan ingrediënten ongeveer 23 nanometer aan de positioneringsfout toevoegde. Wanneer zij al deze factoren wiskundig combineerden, kwam de voorspelde totale fout bijna perfect overeen met hun werkelijke metingen, wat bevestigde dat zij de bronnen van de onnauwkeurigheid correct hadden geïdentificeerd.

De studie concludeert dat hoewel de huidige methode al zeer precies is, er een duidelijke weg is om het nog beter te maken. De onderzoekers suggereren dat door het kristal dunner te maken, zij de spreiding van de energie van de elektronenbundel kunnen verminderen, en door het aantal koolstofparen in het kristal te vergroten door middel van intentionele doping tijdens de groei, zij kunnen garanderen dat een doelwit onmiddellijk wordt gevonden. Als deze verbeteringen worden doorgevoerd, schatten de onderzoekers dat de positioneringsnauwkeurigheid kan worden teruggebracht tot minder dan 10 nanometer. Dit niveau van precisie zou een grote sprong voorwaarts betekenen, waardoor de creatie van complexe, volledig geïntegreerde kwantumfotoniche chips mogelijk wordt waarbij elke lichtbron precies daar wordt geplaatst waar deze moet zijn, wat het volledige potentieel van deze materialen voor toekomstige kwantumtechnologieën ontsluit.