مادة كمية تحقق رقما قياسيا في انبعاث الضوء فوق البنفسجي العميق

طريق جديد نحو ضوء فوق بنفسجي عميق

توليد ضوء فعال في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة - أطوال موجية أقصر من حوالي 280 نانومتر - كان أحد المشاكل الأصعب في فوتونيات أشباه الموصلات. يحتوي ضوء فوق بنفسجي عميق على تطبيقات قوية في تعقيم العوامل الممرضة وتنقية المياه والطباعة الحجرية للأجهزة وحدة المعالجة الكمية، لكن المواد التي يمكن أن تنبعث منها بكفاءة محدودة وصعبة التعامل معها. تصف دراسة نُشرت في Science تطورا كبيرا: تحقيق luminescence فوق بنفسجي عميق عالي الكفاءة في آبار كمية moire مكونة من نيتريد البورون السادسي، وهي مادة معروفة بأنها عازل سطحي ثنائي الأبعاد.

النتيجة مفاجئة. نيتريد البورون السادسي، أو hBN، هو مادة ذات فجوة نطاق عريضة يعرف الباحثون أنها يمكن أن تنبعث ضوء UV، لكن تحقيق انبعاث فعال وقابل للتحكم فيه أثبت أنه بعيد المنال. الابتكار هنا هو استخدام بنية superlattice moire - مُنشأة بتكديس طبقتين متداخلة قليلا من hBN - لحصر ومعالجة الحالات الكمية المسؤولة عن انبعاث الضوء بطرق غير ممكنة في المواد السائبة أو أحادية الطبقة التقليدية.

ما تفعله هندسة Moire

عندما يتم تكديس طبقتين من الكريستال رقيقة ذريا بزاوية انحراف صغيرة أو عدم تطابق الشبكة، يقوم نمط التداخل الناتج بإنشاء superlattice moire: تعديل دوري للجهد الذري يمتد على مقاييس طول أكبر بكثير من البنية الذرية الأساسية. يعمل هذا superlattice كمجموعة من مواقع الحصر الكمي على نطاق النانو - آبار كمية اصطناعية ونقاط كمية - دون الحاجة إلى nanofabrication المعقدة التي ستكون مطلوبة بخلاف ذلك لإنشاؤها.

ظهرت هندسة moire كتقنية تحويلية في فيزياء المادة المكثفة بعد اكتشاف عام 2018 أن الجرافين ثنائي الطبقات الملتوية يمكن أن يصبح موصلا فائقا في زوايا انحراف محددة. منذ ذلك الحين، طبق الباحثون المفهوم على مجموعة واسعة من المواد ثنائية الأبعاد، واكتشفوا ظواهر تشمل حالات عازل مترابطة، والمغناطيسية الحديدية، و - الآن - انبعاث ضوء محسّن بشكل كبير في hBN.

في الدراسة الحالية، تقوم بنية moire في hBN بإنشاء حالات آبار كمية محلية تحصر excitons - أزواج فتحات الإلكترون المرتبطة - في مواقع محددة في superlattice. تتحد هذه excitons المحاصرة إشعاعيا بكفاءة عالية، مما يطلق photons فوق بنفسجية عميقة. يعزز حصر moire احتمالية إعادة التركيب الإشعاعي ويضيق طيف الانبعاث، مما ينتج عنه ضوء UV أكثر إشراقا وخصصية طيفية نقية أكثر مما تم تحقيقه مسبقا في hBN.

لماذا البنفسجي العميق يستحق المتابعة

يتداخل نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة - تقريبا 200 إلى 280 نانومتر - مع ذروات الامتصاص للـ DNA والـ proteins، مما يجعلها فعالة في تعقيم الأسطح والماء والهواء بدون البقايا الكيميائية المرتبطة بطرق التعقيم التقليدية. جددت جائحة COVID-19 الاهتمام التجاري بتكنولوجيا تعقيم الأشعة فوق البنفسجية، وزادت الطلب على مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية العميقة الفعالة والمدمجة وفقا لذلك.

تكنولوجيا LED فوق بنفسجي عميق الحالية بناء على نيتريد الجاليوم الألومنيوم وظيفية ولكن محدودة الكفاءة وتتطلب ظروف نمو معقدة. قد يوفر نهج قائم على hBN، إذا تمكن من التوسع من عروض المختبرات إلى الأجهزة القابلة للتصنيع، مسارا أكثر يسهولة إلى مصادر عميقة فعالة للأشعة فوق البنفسجية. كما تجعل الطبيعة ثنائية الأبعاد لـ hBN متوافقة مع الركائز المرنة والتكامل مع منصات photonic السيليكون.

تطبيقات الفوتونيات الكمية

بخلاف التعقيم، فإن مصادر الفوتون الفردي في نطاق UV هي مورد مطلوب بشدة لـ quantum cryptography و quantum networking. تم تحديد hBN مسبقا كمادة مضيفة لمصادر الفوتون الفردي التي تعمل في درجة حرارة الغرفة - ميزة كبيرة على العديد من منصات quantum emitter الأخرى التي تتطلب تشغيل التجميد. يمكن لهياكل الآبار الكمية moire توفير مسار إلى مصفوفات مصادر الفوتون الفردي UV عالية الجودة القيمة لبناء أنظمة quantum photonic قابلة للتطوير. يمثل البحث تقاربا لفيزياء moire والفوتونيات فوق البنفسجية العميقة التي تفتح hBN كمنصة لأجهزة انبعاث الضوء في النطاقات الطيفية حيث تعاني أشباه الموصلات التقليدية.

تستند هذه المقالة إلى تقارير من Science (AAAS). اقرأ المقالة الأصلية.