Room-Temperature Quantum Emission from Boron Nitride Nanotubes

In het opkomende veld van de quantumtechnologie wordt informatie niet gedragen door stromen elektriciteit, maar door individuele lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd. Om de volgende generatie computers, beveiligde communicatienetwerken en ultrasensitieve sensoren te bouwen, hebben wetenschappers een betrouwbare manier nodig om deze deeltjes één voor één te genereren. De ideale bron voor deze taak is een enkelvoudige foton-emitter: een minuscuul defect in een vast materiaal dat, wanneer geëxciteerd door licht, precies één foton tegelijk vrijgeeft. Jarenlang hebben onderzoekers gekeken naar hexagonaal boornitride, een plat, tweedimensionaal materiaal, als een veelbelovende gastheer voor deze emitters. Hoewel dit materiaal goed werkt, creëert de platte aard ervan technische hoofdpijn; het is moeilijk om een plat vel precies op een microscopisch circuit te plaatsen, en de emitters die erin worden gevonden, hebben vaak gaten in de kleuren die ze produceren. Bovoltre kunnen deze platte emitters instabiel zijn, waarbij ze onvoorspelbaar aan en uit knipperen, wat de informatiestroom verstoort.

Een team van onderzoekers heeft nu zijn aandacht gericht op een andere vorm van hetzelfde materiaal: de boornitride-nanobuis. Stel je een vel van dit materiaal voor dat is opgerold tot een kleine, holle cilinder, waardoor een eendimensionale structuur ontstaat die zowel rigide als ongelooflijk dun is. In een recente studie onderzochten het team of deze nanobuizen als superieure huisvesting voor enkelvoudige foton-emitters zouden kunnen dienen. Door een populatie van deze buizen te bestuderen onder een gespecialiseerde microscoop, ontdekten zij dat de nanotubes niet alleen in staat zijn om deze quantumbronnen te huisvesten, maar dat ze dit met opmerkelijke veelzijdigheid doen. De onderzoekers ontdekten dat de nanotubes licht uitzenden over het gehele zichtbare spectrum, waardoor kleurgaatjes die voorheen leeg waren in platte materialen, worden opgevuld. Misschien wel het belangrijkste is dat de emitters binnen de buizen veel minder knipperen en veel sneller aan en uit schakelen dan hun tegenhangers in platte vellen, wat een pad biedt naar stabielere en efficiëntere quantumapparaten die niet extreem koud hoeven te werken.

De studie begon met een eenvoudige vraag: kan de unieke geometrie van een nanotube de beperkingen van platte materialen oplossen? De onderzoekers verkregen boornitride-nanotubes en plaatsten deze op een siliciumoppervlak. Met behulp van een krachtige microscoop die licht op een enkel punt kon focussen, scanden ze de nanotubes om te mappen waar licht werd uitgezonden. Ze ontdekten dat de nanotubes niet uniform waren; in plaats daarvan waren ze bezaaid met specifieke plekken die helder oplichtten. Deze plekken waren de enkelvoudige foton-emitters. Wanneer het team het licht analyseerde dat van deze plekken kwam, ontdekten zij een rijke variëteit aan kleuren. De emitters produceerden licht variërend van diep violet tot diep rood, waarmee het volledige spectrum van kleuren zichtbaar voor het menselijk oog werd gedekt. Dit was een cruciale bevinding, omdat eerdere studies naar plat boornitride hadden aangetoond dat bepaalde kleuren ontbraken of extreem zeldzaam waren. De nanotubes boden, zo bleek, een continu palet aan quantumlichtbronnen.

Om te bevestigen dat deze plekken inderdaad enkelvoudige fotonen uitzonden, gebruikten de onderzoekers een techniek die meet hoe fotonen een detector bereiken. Als een bron twee of meer fotonen tegelijk uitzendt, zouden de aankomsttijden willekeurig zijn. Echter, als het een echte enkelvoudige fotonbron is, komen de fotonen één voor één aan, met een duidelijke pauze tussen hen in. De metingen toonden een duidelijke pauze aan, wat bewees dat de nanotubes fungeerden als echte enkelvoudige foton-emitters. Het team mat ook hoe lang het een emitter duurde om een foton vrij te geven nadat deze was geëxciteerd. Ze ontdekten dat het proces ongelooflijk snel verliep, waarbij sommige emitters een foton vrijgaven in slechts 0,5 nanoseconde. Dit is ongeveer twee keer zo snel als de snelste emitters gevonden in plat boornitride. In de wereld van quantumcommunicatie is snelheid alles; snellere emissie betekent dat er meer data in een kortere tijd verzonden kan worden.

Snelheid alleen is echter niet genoeg als de bron onbetrouwbaar is. Veel solid-state emitters lijden aan een probleem dat "knipperen" wordt genoemd, waarbij de lichtbron willekeurig uit- en aangaat, of licht van kleur verandert. Deze instabiliteit wordt vaak veroorzaakt door de interactie van de emitter met zijn omgeving, zoals zuurstof of andere verontreinigingen in de lucht. Om dit op te lossen, probeerden de onderzoekers een eenvoudige maar effectieve oplossing: ze bedekten de nanotubes met een dunne laag aluminiumoxide, een materiaal dat vaak wordt gebruikt om delicate elektronica te beschermen. Ze gebruikten een nauwkeurige methode genaamd atomic layer deposition om een film van slechts 1,5 nanometer dik te creëren, die de nanotube als een beschermende schil omwikkelde.

De resultaten van deze coating waren onmiddellijk en spectaculair. Het knipperen stopte. Het licht van de emitters werd constant en consistent, zonder de willekeurige fluctuaties die bij de onbedekte nanotubes werden gezien. De coating verbeterde ook de zuiverheid van het licht, waardoor de emitters minder waarschijnlijk per ongeluk twee fotonen tegelijk zouden vrijgeven. Hoewel de coating een zeer lichte verschuiving in de kleur van het licht veroorzaakte, van 706 nanometer naar 709 nanometer, was deze verandering minimaal en voorspelbaar. Belangrijker nog was dat de stabiliteit van de lichtbron aanzienlijk toenam, waardoor de emitters langer in hun geëxciteerde staat konden blijven en fotonen betrouwbaarder konden vrijgeven. De onderzoekers merkten op dat deze stabiliteit essentieel is voor het bouwen van complexe quantumcircuits, waarbij een knipperende bron fouten in berekeningen of communicatie kan veroorzaken.

De implicaties van deze bevindingen reiken verder dan alleen het vinden van een nieuw materiaal. De vorm van de nanotube zelf biedt een praktisch voordeel voor ingenieurs. In tegen tegenstelling tot platte vellen, die groot kunnen zijn en moeilijk precies te positioneren zijn, is een nanotube een lange, dunne cilinder met een diameter van ongeveer 60 nanometer. Deze grootte is klein genoeg om in de nauwste ruimtes op een microchip te passen, maar groot genoeg om gehanteerd en met precisie geplaatst te worden. Omdat een enkele tube meerdere emitters op verschillende punten langs zijn lengte kan huisvesten, opent dit de deur naar een nieuwe manier om informatie te verpakken. Een enkele nanotube zou als een multi-channel bron kunnen fungeren, waarbij verschillende kleuren licht via een enkel pad worden verzonden, een techniek die bekend staat als wavelength division multiplexing. Dit zou de bandbreedte van quantumcommunicatiesystemen drastisch kunnen vergroten.

De onderzoekers benadrukten ook dat deze emitters werken bij kamertemperatuur. Veel quantumsystemen vereisen temperaturen nabij het absolute nulpunt om te functioneren, wat ze duur en omvangrijk maakt. Het feit dat boornitride-nanotubes efficiënt werken zonder dergelijke extreme koeling, is een grote stap naar het praktisch maken van quantumtechnologie voor dagelijks gebruik. Hoewel de studie niet elk probleem in het veld heeft opgelost, heeft het aangetoond dat deze nanotubes een levensvatbaar en veelbelovend platform zijn. Ze bieden een combinatie van snelheid, stabiliteit en spectrale dekking die platte materialen moeilijk kunnen evenaren. Door te bewijzen dat deze eendimensionale structuren hoogwaardige quantumemitters kunnen huisvesten, biedt het werk een nieuwe architecturale optie voor de toekomst van de quantumfotonica, waarbij gesuggereerd wordt dat de weg naar schaalbare quantumapparaten kan liggen in de eenvoudige, elegante geometrie van een kleine buis.