I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Sydney hanno dimostrato un nuovo metodo per controllare minuscole sorgenti di luce quantistica torcendo strati sottilissimi di nitruro di boro esagonale.
Questa innovazione fornisce agli scienziati un nuovo metodo per sintonizzare gli emettitori quantistici, sorgenti luminose microscopiche che potrebbero svolgere un ruolo importante nelle tecnologie future come il calcolo quantistico, le comunicazioni sicure e i sensori ultra-sensibili.
L’autore principale, il dottor Angus Gale, ha affermato che il lavoro offre ai ricercatori un nuovo strumento prezioso per rendere questi sistemi quantistici più pratici.
“È possibile misurare questi emettitori quantistici e constatare la loro esistenza, ma è difficile farli funzionare nella pratica. Questo ci offre uno strumento per avvicinarci a tale obiettivo, un passo avanti verso la realizzazione delle tecnologie quantistiche”, ha affermato il Dott. Gale.
La torsione degli strati modifica la luce quantistica
Durante gli esperimenti, Gale e il suo team hanno scoperto che torcere il materiale poteva alterare significativamente sia il colore che la lunghezza d’onda della luce emessa dagli emettitori quantistici. L’entità del cambiamento era particolarmente degna di nota.
La maggior parte degli studi crea un dispositivo con un angolo di torsione specifico e lo lascia invariato. Al contrario, i ricercatori sono stati in grado di sollevare, ruotare e riassemblare ripetutamente il materiale, consentendo loro di modificarne continuamente le proprietà.
“Stiamo sfruttando il fatto che questo materiale, il nitruro di boro esagonale (hBN), è stratificato. Possiamo prenderlo, impilarlo, torcerlo e usare questa torsione per modificare gli emettitori. Non è possibile farlo con materiali tradizionali come il diamante o il carburo di silicio.”
“Il vantaggio è che abbiamo utilizzato questa piattaforma girevole per spostare le emissioni in modo molto significativo”, ha affermato Gale. “Spesso, quando si controllano questi sistemi, il grado di manipolazione è molto limitato, ma in questo caso lo spostamento è stato molto maggiore del previsto.”
“Anziché cercare di far comportare i difetti dell’hBN come un materiale ospite tradizionale allo stato solido, abbiamo sfruttato il punto di forza dell’hBN stesso: la sua struttura sottile, stratificata e flessibile.”
Perché il nitruro di boro esagonale è diverso
Gale ha paragonato la struttura del materiale a fette di formaggio piuttosto che a un blocco solido.
“Con un blocco di formaggio, non si riesce ad apprezzare appieno il sapore al centro. Ma con le fette, si possono separare gli strati, ricomporli e modificare l’interazione tra di essi”, ha affermato.
Poiché l’hBN è costituito da strati estremamente sottili, i ricercatori possono separare e riassemblare questi strati in modi impossibili con i materiali quantistici più convenzionali.
Nuove possibilità per le tecnologie quantistiche
Il professor Igor Aharonovich, autore principale dello studio, ha affermato che la capacità di torcere materiali stratificati è particolarmente interessante perché può rivelare comportamenti fisici completamente nuovi.
“Si possono prendere due strati che singolarmente non offrono grandi vantaggi, unirli con un’angolazione specifica e improvvisamente si ottiene un sistema completamente diverso”, ha affermato il professor Aharonovich.
Secondo Aharonovich, i risultati potrebbero contribuire allo sviluppo di diverse tecnologie quantistiche emergenti.
“Questi materiali potrebbero essere utilizzati in futuro per le comunicazioni e il rilevamento quantistico, il che sarebbe utile per applicazioni come la sanità, la sicurezza informatica e il miglioramento del GPS; e ci darebbe un maggiore controllo sugli elementi costitutivi necessari per raggiungere tale obiettivo.”
Abstract
L’impilamento e la torsione di materiali bidimensionali hanno suscitato un enorme interesse nelle comunità della fisica della materia condensata e della nanofotonica. Questo crescente interesse è dovuto all’emergere di fenomeni fotofisici derivanti dall’accoppiamento interstrato. In questo lavoro, dimostriamo che la torsione df può modulare gli emettitori quantistici a temperatura ambiente. Utilizziamo una struttura di van der Waals (vdW) di nitruro di boro esagonale (hBN) e modelliamo le proprietà di emissione degli emettitori quantistici in funzione dell’angolo di torsione. I risultati della teoria del funzionale della densità mostrano che gli emettitori incorporati sono fortemente influenzati dall’angolo di torsione e dall’impilamento dello strato superiore di hBN. Di conseguenza, realizziamo sperimentalmente questi sistemi e dimostriamo la sintonizzazione in situ degli emettitori quantistici incorporati mediante la torsione meccanica dello strato superiore di hBN, ottenendo una sintonizzabilità di oltre 30 nanometri (~100 milli-elettronvolt). Il nostro lavoro dimostra che la torsione meccanica può essere sfruttata per modulare gli emettitori quantistici in un materiale di van der Waals, segnando un passo cruciale verso un circuito quantistico programmabile su chip.
Materials provided by University of Technology Sydney. Note: Content may be edited for style and length.
Angus Gale, Seungjun Lee, Seungmin Park, Evan Williams, Helen Zhi Jie Zeng, James Liddle-Wesolowski, Young Duck Kim, Milos Toth, Tony Low, Igor Aharonovich. Twist-controlled modulation of quantum emitters in hexagonal boron nitride. Science Advances, 2026; 12 (25) DOI: 10.1126/sciadv.aec0101
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