A kvantumfotonikai eszközök előállítását segíti egy új felfedezés

2025.12.12.

Áttörést jelent a szobahőmérsékletű 2D kvantumanyagok, a kvantumszenzorok és a kvantumkommunikációs eszközök fejlesztésében a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatóinak felfedezése. A Nature Communications-ben megjelent tanulmányuk új, átfogó modellt mutat be arról, hogy hogyan keletkezik a kvantumos fénykibocsátás a hexagonális bór-nitridben (hBN) található ponthibákból.

A kvantumtechnológia rohamos fejlődésével egyre nagyobb figyelem irányul azokra az anyagokra, amelyek képesek egyedi kvantumállapotokat előállítani és stabilan megtartani, akár szobahőmérsékleten is. Ilyen különleges anyag a hexagonális bór-nitrid (hBN), amely - a híres grafénhez hasonlóan - kétdimenziós kristály. A speciális anyag egyetlen atomnyi vastagságban is megőrzi szerkezeti stabilitását.

A (hBN) az utóbbi években az egyfoton-források és a kvantumhiba-spinek egyik legfontosabb anyagává vált, amelyek akár szobahőmérsékleten is működnek. Az azonban sokáig rejtély volt, hogy pontosan milyen atomi szerkezetek - ún. ponthibák - felelősek a kristályban megfigyelhető, eltérő színű fénykibocsátásért, az optikai élettartamok széles skálájáért és a stabilitás különbségeiért. Az is kérdés volt, hogy egyes hibák miért mutatnak optikai úton detektálható mágneses rezonanciát (ODMR), míg mások nem.

A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetében a Gali Ádám vezette kutatócsoport most áttörést ért el ezen a téren. Tanulmányukban új modellt dolgoztak ki, amely szerint a fénykibocsátás és a spin-tulajdonságok nem elszigetelt ponthibákhoz, hanem donor–akceptor párokhoz (DAP) köthetők, vagyis két közeli ponthiba kölcsönhatásából származnak. A kutatók a kvantummechanika törvényein alapuló számítógépes modellezéssel (ab initio), kimutatták, hogy ezek a hibapárok magyarázzák a különböző színű és erősségű fénykibocsátást. A modellezés eredményei összhangban vannak a mérések tapasztalataival, így ez a módszer összeköti a kísérleti megfigyeléseket és az atomi szintű elméletet.

A tanulmány egységes értelmezési keretet ad az eddig kaotikusnak tűnő hBN-sugárzó centrumokhoz: sok, korábban eltérőnek hitt világító centrum valójában azonos akceptorhiba, amely különböző donorokkal és különböző távolságokban alkot párokat. Ez a felismerés gyakorlati útmutatót is ad kvantumfotonikai eszközök tervezéséhez: az adalékolás és a hibatávolság szabályozásával beállítható a szín, a fényerő és a spin-kontraszt.

Wigner-kvantum_fényforrás_gali_ — A ponthiba párokat mutatja (a) a piros színű golyó (oxigén-vakancia hiba) és a barna színű golyó (szénatom a bóratom helyén), ahol a szénatomot egyre távolabb helyezzük, számokkal jelezve azok pozícióját. Ennek függvényében mutatjuk be (b) a világítás energiáját (ZPL energia, amely a világítás színét adja meg) és (c) a hozzátartozó elektronszerkezetet. Azt látjuk, hogy a világítás színe függ a két ponthiba távolságától.

A kétdimenziós kristályokban rendkívül nehéz azonosítani az egyfoton-források atomi eredetét, mivel a helyi mechanikai feszültségek, elektromos terek és a beágyazott rétegek megnehezítik a mikroszkópos vizsgálatok eredményeinek értelmezését. A részletes elektronszerkezeti elméletet kombinálva a korábban ismert mágneses- és optikai mérések eredményeivel, a szerzők kimutatták, hogy az ponthibák közötti kölcsönhatások – és nem csupán az elszigetelt ponthibák – kulcsszerepet játszanak a hBN kvantumoptikai tulajdonságaiban. Ez a felismerés felgyorsíthatja a kvantumfényforrások célzott előállítását és teljesítmény-optimalizálását a széles tiltott sávú anyagok egész családjában.