Emissão quântica ajustável por tensão de defeitos atômicos em nitreto de boro hexagonal para telecomunicações

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21673 (2022) Citar este artigo

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Este estudo apresenta a extensão da sintonização de emissores 2D hBN Quantum para bandas ópticas de telecomunicações (banda C − 1530 a 1560 nm) e UV-C (cegueira solar − 100 a 280 nm) usando induções de tensão externas, para longo e curto alcance aplicações de comunicação quântica (distribuição de chaves quânticas (QKD)), respectivamente. Os emissores quânticos são os blocos básicos de construção dessas tecnologias QKD (comunicação ou informação quântica), que precisam emitir fótons únicos em temperatura ambiente e capazes de ajustar o comprimento de onda de emissão para o intervalo necessário acima. A literatura recente revelou que os emissores quânticos em 2D hBN só têm a capacidade de resistir a temperaturas elevadas e tratamentos de recozimento agressivos, mas as previsões da teoria funcional da densidade (DFT) afirmaram que o hBN só pode emitir os fótons únicos de cerca de 290 a 900 nm (UV para próximo -regiões IR). Portanto, há uma necessidade de projetar e ajustar ainda mais o comprimento de onda de emissão dos emissores quânticos de hBN para as bandas acima mencionadas (necessárias para a implementação eficiente de QKD). Uma das soluções para ajustar o comprimento de onda de emissão é induzir tensão externa. Neste trabalho, examinamos a sintonizabilidade da emissão quântica em hBN com defeitos pontuais induzindo três deformações normais diferentes usando cálculos DFT. Obtivemos a faixa de sintonizabilidade de até 255 nm e 1589,5 nm, para defeitos pontuais, como monovacâncias de boro (VB) e monovacâncias de boro com átomos de oxigênio (VBO2), respectivamente, o que pode melhorar a implementação bem-sucedida do QKD eficiente. Também examinamos a capacidade de ajuste dos outros defeitos viz. monovacâncias de nitrogênio, monovacância de nitrogênio com auto-intersticiais, monovacância de nitrogênio com intersticiais de carbono, dímeros de carbono e ligações pendentes de boro, que revelaram a emissão quântica sintonizável no visível, outras faixas de espectro de UV e IR e tal emissão quântica personalizada pode aumentar o nascimento de outros dispositivos fotônicos quânticos.

Emissores quânticos fotoluminescentes que estão próximos o suficiente das características ideais de emissão de fóton único, capazes de manter as propriedades emissivas em temperaturas operacionais mais altas, vários ambientes hostis e possibilidade de ajustar o espectro de emissão para uma ampla faixa (maior para menor faixa de comprimento de onda) são os elementos centrais para a implementação bem-sucedida de tecnologias de informação quântica e fotônica quântica integrada. Em particular, comunicações quânticas robustas exigem emissores quânticos que forneçam emissão quântica eficiente na faixa de telecomunicações (banda C) de 1530–1560 nm para distâncias mais longas e curtas1,2,3 via fibras ópticas4 e canais de espaço livre5,6. A comunicação quântica na região UV também é outra abordagem alternativa para distâncias de curto alcance [sob condição sem linha de visão (NLOS)], que requer emissão quântica na região solar cega (UV-C) de alcance de 100–280 nm7, 8.

A pesquisa de ponta revelou que implementar tais emissores quânticos ideais usando materiais em camadas é uma das soluções mais promissoras9,10,11,12. No entanto, os emissores quânticos atuais desenvolvidos em 2D hBN (grafeno branco) sustentam suas características de alta emissão em temperaturas operacionais elevadas13 e tratamentos de recozimento vigorosos14, mas exibem o espectro de emissão apenas do UV para a região do infravermelho próximo, ou seja, em torno de 290– Alcance de 900 nm15,16. Como técnica alternativa, os nanotubos de carbono exibem a emissão quântica em torno de 1500 nm17, mas enfrentam a desvantagem de faixa de emissão estreita e suas baixas temperaturas de operação. Por outro lado, pontos quânticos podem atingir amplo espectro de emissão18,19. No entanto, a emissão de comprimento de onda específico em pontos quânticos requer arranjos quânticos distintos e dopagem diferente. Portanto, é difícil obter espectro de emissão de amplo alcance completo em um único material hospedeiro usando pontos quânticos.