ملاحظة انبعاث فوتون مفرد في درجة حرارة الغرفة من العيوب الموجودة في طبقات البورون نتريد السداسية الشكل تفتح فرص جديدة في الضوئيات الكمية.

عندما ينبعث الضوء من مصدر مزروع في آلة صلبة-الحالة (solid-state) فإن معظم الإنبعاث ينحصر داخل المادة الصلبة نفسها منتجة إنبعاث فقير الكفاءة. هذا الأمر يشكل عقبة أمام تحقيق الآلات الكمية الضوئية.

ولتجنب هذا العيب فإن الحل السهل يكمن في استخدام مصادر ضوء مزروعة على مواد ثنائية الأبعاد، والتي توفر مميزات أخري عن آلات الحالة الصلبة (bulk solid state). على سبيل المثال: التقييد المساحي (space confinement) لحاملات الشحنة الموجبة والسالبة (الإلكترونات والحفر- holes-) يكون أعلى نسبيا في الكريستالات ثنائية الأبعاد. ويمكن تحسينها أكثر عن طريق بوابات الإلكترودات (gate electrodes). إنبعاث الضوء الكمي من العيوب في الكريستالات ثنائية الأبعاد تمت ملاحظته حاليا من مجموعات تدرس ال dichalcogenides الشبه موصله. الان مكتوب في مجلة nature nanotechnology أن إيجور أرنوفيش Igor Aharonovich ومعاونيه بجامعة التكنولوجيا بسيدني وثقوا إنبعاث فوتون مفرد في درجة حرارة الغرفة من عيوب مفرده في الشرائح النانوية للبورون نتريد السداسي الشكل Hexagonal Boron Nitride Nanoflakes) hBN)

الخواص الضوئية للمواد ثنائية الأبعاد تم دراستها بكثافة منذ اكتشاف المعدن الانتقالي الشبه موصل  2D transition metal semiconducting dichalcogenides ) TMDs). حاليا إنبعاث الفوتون المفرد من طبقات ال TMD الشبه موصل لل WSe2 تم إثباته بواسطة العديد من المجموعات. على الرغم من ذلك، صغر طاقة الوضع الحابسة لأزواج الإلكترون-الحفر والاقتران القوي بين الشحنات الكهربية والفونونات (phonons) جعل الانبعاث فقط في درجات الحرارة المنخفضة. لكن في شرائح ال hBN الموقف مختلف.

أهارونوفيتش Aharonovich ومعاونيه استخدموا طريقة ال chemical vapour deposition لترسيب عينات من ال hBN إما متعددة الطبقات (multi-layer) أو ذات طبقة مفردة (single-layer). بما أن الـ(band gap) للhBN حوالي 6 فولت (و التي هي أكبر من تلك الموجودة في ال dichalcogenides الشبه موصله) فإن من السهل إثارة العيوب بطاقة أقل من الband gap. ال band gap الكبيرة تؤدي أيضا الى photoluminescence قوي لأن العمليات الغير مشعة والتي من خلالها يعاد إتحاد الإلكترونات و الحفر (holes) (على سبيل المثال عملية ال auger تكون مهمله) هذا صحيح خصيصا في درجات الحرارة المرتفعة و هو العامل الأساسي في العمل الخاص بأهارونوفيتش و زملائه.

الاستثارة بطاقة ليزر أقل من ال band gap سمحت بوجود عيوب مفردة بتركيز واحد لكل مائة ميكرومتر ذات انبعاث طول موجي حوالي 2 إليكترون فولت. إنبعاث الفوتون المفرد تم إثباته بواسطة التجربة القياسية التي ترصد ما يسمى بـ photon antibunching. الإنبعاث الطيفي (photoluminescence) يختلف بطريقة ملحوظة بين حالتي الطبقات القليلة والطبقة المفردة لل hBN. على وجه الخصوص إتساع الطيف يكون ضيق بشكل ملحوظ في حالة الشرائح القليلة للhBN. في 77 كلفن و 1.2 مللي إليكترون فولت وجد إنبعاث ضيق ناتج من العيوب المفردة. في تجارب الضوئيات الكمية يكون الانبعاث الطيفي الضيق ضروري لذا فإن هذه صورة مؤشرة مهمة. من المثير للاهتمام بعد ال antibunching, بينت تجارب أيضا bunching للفوتون, مشيرا إلى وجود حالة شبه مستقرة. لان هذه الحالة الشبه مستقرة لديها وقت حياة(life time) قصير بشكل ملحوظ و احتمالية انتشار 3% فقط فإن العيب يتصرف تقريبا كنظام ذو مستويين بمعدلات انبعاث عالية للغاية.

على الرغم من أن التركيب الكيميائي لل hBN بسيط إلا أن الطيف الانبعاثي لم يعطي إجابة عن الطبيعة الكيميائية للعيوب. بيانات طيفية سابقه على خصائص ال luminescence لل hBN بينت luminescence مصاحب للعيب المفرد الملاحظ بواسطة أهارونوفيتش وزملائه بشكل ملحوظ. حسابات الكيمياء الكمية لطيف الإنبعاث الممكن للعديد من العيوب توافق إلى حد كبير مع المشاهدات حيث تكون ذرة نيتروجين واحده مفقودة في شبكة البورون نتريد المنتظمة. اقترح عمل سابق أن هذا النوع من العيوب هو مركز لل luminescence في المادة. لكن لم يوثق إنبعاث فوتون مفرد.

الانبعاث في درجة حرراه الغرفة الملاحظ بواسطة أهارونوفيتش وزملائه جاء كمفاجئة -خاصة في حالة الطبقة المفردة لان من المعروف أن ال hBN يمكن تعديله كيميائيا بسهولة بواسطة إشعاع الليزر-على الرغم من أنها ذات طول موجي أقصر وكثافة استثارة أعلى من تلك المستخدمة في تجارب ال photoluminescence بواسطة أهارونوفيتش والعاملين معه. في الواقع الhBN غنية بناتج الكيمياء الضوئية. على سبيل المثال في تراكم البورون أو تماسك الأكسيجين على العينة تحت شروط جوية. والتي استخدمت في الماضي لتولد عيوب بواسطة التحفيز الضوئي. على الرغم من أن هذه التأثيرات تشكل تحدي مهم لدراسة مركز العيب المفرد single-defect-center فإنهم أيضا يوفروا فرص فريدة. باستخدام تحفيزات الليزر المناسبة أو تقنيات مثل stimulated emission depletion يمكن تكوين العيوب بدقة مكانية عالية. بالإضافة لذلك يمكن استخدام نفس التكنولوجيا لتشكيل المادة ككل كما يفعل مع الجرافين. تبين أيضا أن العيوب في ال hBN يمكن تصويرها بواسطة ال scanning tunnelling microscopy عندما توضع شرائح البورون نتريد على الجرافيين. لقد تبين أيضا أن المجال الكهربي الموضعي الضخم في طرف (tip) ال STM يسمح للعيوب بالتحرك في المادة على مستوى النانو متر نظريا.

عن طريق إنشاء وتحريك العيوب فإنه من الممكن إنشاء شبكات من الباعثات الكمية موضوعة في الأماكن المطلوبة (و على مسافة محددة من بعضهم البعض). وهي فرص حلم بها خبراء الضوئيات الكمية في الحالة الصلبة طويلا.

بسبب أن ال hBN ثنائي الأبعاد فإنه يوفر عدد من الفرص المشوقة. فإنه على سبيل المثال من السهل استثارة ال electroluminescence مقارنة بالكريستالات المتكتلة (bulk). أيضا دمج ال hBN المكون من طبقه مفرده أو القليل من الطبقات داخل التجاويف الضوئية سيصبح مباشر. البورون نتريد السداسي ربما سيوفر احتمالات مثيرة للميكانيكا الضوئية (optomechanics) لأنها مادة صلبة (stiff) والتي يمكنها إنتاج هزازات (resonators) ميكانيكية بعوامل جودة عالية.

أخيرا، الدوران في طبقة ال hBN ربما تحظى باهتمام كبير. عدد من مراكز الإلكترونات البارا مغناطيسية في ال hBN معروفه. الحالة الشبه مستقرة المكتشفة بواسطة أهارونوفيتش وزملائه ربما تكون مرتبطة بواحدة من هذه المراكز. والتي يمكن فحصها خلال تجارب الرنين المغناطيسي المضبوط ضوئيا (optically detected magnetic resonance).

دوران الإلكترون يمكن أن يقارن تقريبا بمادة ثنائية الأبعاد مثاليه ذات دوران نووي (nuclear spins) مثل كل نظائر البورون والنتروجين التي لديها عزم مغناطيسي نووي (nuclear magnetic moment) منشأة عينة للاختبار ممتازة للمحاكاة الكمية.

ترجمة / Mohamed Taweela

المصدر: http://sc.egyres.com/Ewvub