क्वांटम सामग्री गहरे-यूवी प्रकाश उत्सर्जन में रिकॉर्ड स्थापित करती है

गहरे-यूवी प्रकाश के लिए नया मार्ग

गहरे-पराबैंगनी श्रेणी में कुशल प्रकाश उत्पन्न करना — लगभग 280 नैनोमीटर से कम तरंग दैर्ध्य — अर्धचालक फोटोनिक्स में सबसे कठिन समस्याओं में से एक रहा है। गहरे-यूवी प्रकाश के रोगज़नक़ कीटाणुनाशन, जल शुद्धिकरण, अर्धचालक लिथोग्राफी और quantum information processing में शक्तिशाली अनुप्रयोग हैं, लेकिन जो सामग्री इसे कुशलतापूर्वक उत्सर्जित कर सकती है वह सीमित और काम करने में कठिन है। Science में प्रकाशित एक अध्ययन एक महत्वपूर्ण प्रगति का वर्णन करता है: hexagonal boron nitride के moire quantum wells से अत्यंत कुशल गहरे-यूवी ल्यूमिनेसेंस प्राप्त किया गया है, एक सामग्री जो एक सपाट, द्विआयामी इंसुलेटर के रूप में ज्ञात है।

परिणाम आश्चर्यजनक है। Hexagonal boron nitride, या hBN, एक wide-bandgap सामग्री है जिसे शोधकर्ता जानते हैं कि UV प्रकाश उत्सर्जित कर सकते हैं, लेकिन कुशल, नियंत्रित उत्सर्जन प्राप्त करना मुश्किल साबित हुआ है। यहां नवाचार moire superlattice संरचना का उपयोग है — hBN की दो थोड़ी गलत संरेखित परतों को स्टैक करके बनाई गई — quantum अवस्थाओं को सीमित और हेराफेरी करने के लिए जो पारंपरिक थोक या एकल-परत सामग्री में संभव नहीं है।

Moire इंजीनियरिंग क्या करती है

जब दो परमाणु पतली क्रिस्टल परतों को एक छोटे twist कोण या lattice विसंगति के साथ स्टैक किया जाता है, तो परिणामी हस्तक्षेप पैटर्न एक moire superlattice बनाता है: atomic संभावना का एक आवधिक परिवर्तन जो अंतर्निहित atomic संरचना से बहुत बड़े लंबाई पैमाने पर विस्तारित होता है। यह superlattice नैनो-स्तरीय quantum confinement साइटों की एक सरणी के रूप में कार्य करता है — artificial quantum wells और quantum dots — इन्हें बनाने के लिए आवश्यक जटिल nanofabrication के बिना।

Moire इंजीनियरिंग 2018 में twisted bilayer graphene के निश्चित twist कोणों पर superconducting बनने की खोज के बाद condensed matter physics में एक परिवर्तनकारी तकनीक के रूप में उभरी है। तब से, शोधकर्ताओं ने द्विआयामी सामग्रियों की एक विस्तृत श्रेणी में इस अवधारणा को लागू किया है, correlated insulator states, ferromagnetism, और — अब — hBN में नाटकीय रूप से बढ़े हुए प्रकाश उत्सर्जन सहित घटनाओं की खोज की है।

वर्तमान अध्ययन में, hBN में moire संरचना localized quantum well अवस्थाएं बनाती है जो excitons — bound electron-hole pairs — को superlattice में विशिष्ट स्थलों पर फंसा देती है। ये फंसे हुए excitons उच्च दक्षता के साथ radiatively recombine करते हैं, गहरे-यूवी photons उत्सर्जित करते हैं। Moire सीमाबद्धता radiative recombination की संभावना को बढ़ाती है और उत्सर्जन spectrum को संकुचित करती है, hBN में पहले प्राप्त की तुलना में अधिक उज्ज्वल और स्पेक्ट्रल रूप से शुद्ध यूवी प्रकाश का उत्पादन करते हुए।

गहरा यूवी क्यों महत्वपूर्ण है

गहरा-यूवी spectral श्रेणी — लगभग 200 से 280 नैनोमीटर — DNA और proteins के absorption peaks को अतिक्रमण करती है, जिससे यह पारंपरिक कीटाणुनाशन विधियों से जुड़े रासायनिक अवशेषों के बिना सतहों, पानी और हवा को कीटाणुरहित करने के लिए प्रभावी बन जाता है। COVID-19 महामारी ने यूवी कीटाणुनाशन तकनीक में वाणिज्यिक रुचि को पुनर्जीवित किया है, और कुशल, compact गहरे-यूवी light sources के लिए मांग तदनुसार बढ़ी है।

वर्तमान गहरा-यूवी LED तकनीक aluminum gallium nitride पर आधारित कार्यात्मक है लेकिन दक्षता में सीमित है और जटिल वृद्धि की स्थितियों की आवश्यकता है। hBN-आधारित दृष्टिकोण, यदि इसे प्रयोगशाला प्रदर्शन से निर्मित उपकरणों तक बढ़ाया जा सकता है, तो कुशल गहरे-यूवी स्रोतों का एक अधिक सुलभ मार्ग प्रदान कर सकता है। hBN की द्विआयामी प्रकृति इसे लचकदार substrates और silicon photonic platforms के साथ एकीकरण के लिए संगत बनाती है।

Quantum Photonics अनुप्रयोग

कीटाणुनाशन से परे, यूवी श्रेणी में single-photon emitters quantum cryptography और quantum networking के लिए एक मांगी जाने वाली संपदा हैं। hBN को पहले room temperature पर काम करने वाले single-photon emitters के host सामग्री के रूप में चिन्हित किया गया है — अनेक अन्य quantum emitter platforms पर एक महत्वपूर्ण लाभ जिन्हें cryogenic operation की आवश्यकता है। Moire quantum well संरचनाएं scalable quantum photonic systems बनाने के लिए मूल्यवान high-quality यूवी single-photon emitters की arrays के लिए एक मार्ग प्रदान कर सकती हैं। यह शोध moire physics और गहरे-यूवी photonics के एक अभिसरण का प्रतिनिधित्व करता है जो hBN को light-emitting उपकरणों के लिए एक प्लेटफॉर्म के रूप में खोलता है spectral श्रेणियों में जहां पारंपरिक semiconductors संघर्ष करते हैं।

यह लेख Science (AAAS) द्वारा रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.