Настраиваемая квантовая эмиссия из атомных дефектов в гексагональном нитриде бора для телекоммуникаций

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21673 (2022) Цитировать эту статью

1528 Доступов

Подробности о метриках

Эта статья обновлена

В этом исследовании представлено расширение возможностей настройки 2D-излучателей hBN Quantum в телекоммуникационных (C-диапазон – от 1530 до 1560 нм) и УФ-C (солнечная слепота – от 100 до 280 нм) оптических диапазонах с использованием внешних стимулов деформации для дальнего и ближнего действия. приложения квантовой связи (квантовое распределение ключей (QKD)) соответственно. Квантовые эмиттеры являются основными строительными блоками технологий QKD (квантовой связи или информации), которые должны излучать одиночные фотоны при комнатной температуре и способны настраивать длину волны излучения в указанном выше необходимом диапазоне. Недавняя литература показала, что квантовые эмиттеры в 2D hBN способны выдерживать только повышенные температуры и агрессивные обработки отжига, но предсказания теории функционала плотности (DFT) гласят, что hBN может излучать только одиночные фотоны в диапазоне от 290 до 900 нм (от УФ до почти -ИК регионы) диапазон. Таким образом, существует необходимость спроектировать и дополнительно настроить длину волны излучения квантовых эмиттеров hBN на указанные выше диапазоны (необходимые для эффективной реализации ККД). Одним из решений настройки длины волны излучения является создание внешней деформации. В этой работе мы исследуем возможность настройки квантовой эмиссии в hBN с точечными дефектами путем создания трех различных нормальных деформаций с использованием вычислений DFT. Мы получили диапазон перестройки до 255 нм и 1589,5 нм для точечных дефектов, а именно моновакансии бора (VB) и моновакансии бора с атомами кислорода (VBO2) соответственно, что может повысить успешную реализацию эффективной ККД. Мы также исследуем возможность настройки других дефектов, а именно. моновакансии азота, моновакансии азота с собственными междоузлиями, моновакансии азота с межузельными атомами углерода, димеры углерода и оборванные связи бора, которые выявили настраиваемое квантовое излучение в видимом, других диапазонах УФ и ИК-спектра, и такое индивидуальное квантовое излучение может улучшить рождение других квантовых фотонных устройств.

Фотолюминесцентные квантовые излучатели, которые достаточно близки к идеальным характеристикам излучения одиночных фотонов, способны сохранять эмиссионные свойства при более высоких рабочих температурах, различных суровых условиях и имеют возможность настройки спектра излучения в широком диапазоне (от более высоких до более коротких длин волн). центральные элементы для реализации успешных квантовых информационных технологий и интегрированной квантовой фотоники. В частности, для надежной квантовой связи необходимы квантовые излучатели, которые обеспечивают эффективное квантовое излучение в телекоммуникационном (C-диапазоне) диапазоне 1530–1560 нм на большие и короткие расстояния1,2,3 через оптические волокна4 и каналы в свободном пространстве5,6. Квантовая коммуникация в УФ-области также является еще одним альтернативным подходом к ближним расстояниям [в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS)], который требует квантовой эмиссии в солнечно-слепой (УФ-С) области диапазона 100–280 нм7, 8.

Современные исследования показали, что реализация таких идеальных квантовых эмиттеров с использованием слоистых материалов является одним из наиболее многообещающих решений9,10,11,12. Однако обнаружено, что современные квантовые эмиттеры, разработанные на основе 2D hBN (белого графена), сохраняют свои высокие эмиссионные характеристики при повышенных рабочих температурах13 и интенсивном отжиге14, но имеют спектр излучения только от УФ до ближнего ИК диапазона, т.е. Диапазон 900 нм15,16. В качестве альтернативного метода углеродные нанотрубки демонстрируют квантовую эмиссию около 1500 нм17, но сталкиваются с недостатком узкого диапазона эмиссии и низких рабочих температур. С другой стороны, квантовые точки могут достигать широкого спектра излучения18,19. Однако излучение определенной длины волны в квантовых точках требует различных квантовых структур и разного легирования. Следовательно, с использованием квантовых точек трудно достичь полного спектра излучения в широком диапазоне на одном исходном материале.