Zusammenfassung:
Ein Team der Universität Buffalo nutzte First-Principles-Berechnungen, um vorherzusagen, welche Art optischer „Fingerabdrücke“ verschiedene atomare Defekte in hexagonalem Bornitrid erzeugen würden, wenn sie auf Laserlicht treffen. Die Studie analysierte zehn Arten von Defekten, darunter Bor- oder Stickstoffatomfehlstellen und Defektstrukturen, die durch Kohlenstoffatome gebildet werden, die Bor- und Stickstoffpositionen ersetzen, und stellte fest, dass sie die Intensität und Polarisationseigenschaften des vom Material erzeugten Lichtsignals verändern würden.
Sechseckiges Bornitrid ist ein zweidimensionales Material, das Aufmerksamkeit erregt hat und aus Bor- und Stickstoffatomen besteht, die in einer Wabenstruktur angeordnet sind. Untersuchungen zeigen, dass Defekte kaum Auswirkungen auf die gewöhnliche lineare optische Reaktion des Materials haben, den nichtlinearen optischen Effekt jedoch erheblich verstärken können: Einige Strukturen können es dem einfallenden Laser ermöglichen, Licht mit der doppelten oder dreifachen Frequenz zu erzeugen. Unter ihnen kann das Signal der zweiten Harmonischen des Kohlenstoffatom-Defektkomplexes um mehrere Größenordnungen verstärkt werden, und das Signal ändert sich mit der Polarisationsrichtung.
Diese Unterschiede sollen den Forschern dabei helfen, herauszufinden, welche Atome die Defekte enthalten und wie sie angeordnet sind. Selbst wenn der Defekt aus der gleichen Art und Anzahl von Atomen besteht, kann das resultierende Polarisationsspektrum unterschiedlich sein, solange die Geometrie unterschiedlich ist. Von zwei in der Studie simulierten Vier-Kohlenstoff-Anordnungen wurde beispielsweise erwartet, dass eine ein starkes Signal in beiden Polarisationsrichtungen erzeugt, während die andere nur in einer Richtung deutlich verstärkt wird. Das Forschungsteam maß auch kohlenstoffdotierte Bornitridproben und die experimentellen Ergebnisse bestätigten qualitativ die durch die Berechnungen vorhergesagten Trends; Diese Arbeit hat jedoch noch kein ausgereiftes Erkennungsgerät gezeigt, das einzelne atomare Defekte einzeln identifizieren kann.
Einige hexagonale Bornitrid-Defekte können jeweils ein Photon emittieren und werden voraussichtlich in der Quantenkommunikation und hochempfindlichen Sensorik eingesetzt. Forscher hoffen, diese optischen Eigenschaften nutzen zu können, um Defekte auszusortieren, die zur Erzeugung von Quantenlicht geeignet sind, und ihre Position im Material weiter zu steuern, um letztendlich ein Array aus mehreren präzise angeordneten Quantenlichtquellen zu schaffen. Relevante Forschungsergebnisse wurden in Nano Letters veröffentlicht. Derzeit bietet es hauptsächlich theoretische Grundlagen zur Identifizierung und Gestaltung von Fehlern. Praktische Quantengeräte erfordern noch eine anschließende Verifizierung und technische Entwicklung.
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