[論文レビュー] Strain Engineering of Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride

Noah Mendelson, Marcus W. Doherty+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Graphene research and applications参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、引張り応力を印加することで、六方ボロンナイトライド（hBN）中の量子発光体のエネルギーレベルを効果的に調整するひずみ工学の有効性を示した。これにより、2次元材料としては記録的な65 meVの逆転可能なスペクトルシフトが達成された。研究では、ひずみ誘発の双極子回転を明らかにし、ひずみと発光エネルギー・光学遷移挙動の関係を説明する理論的モデルを構築した。

ABSTRACT

Quantum emitters in hexagonal boron nitride (hBN) are promising building blocks for the realization of integrated quantum photonic systems. However, their spectral inhomogeneity currently limits their potential applications. Here, we apply tensile strain to quantum emitters embedded in few-layer hBN films and realize both red and blue spectral shifts with tuning magnitudes up to 65 meV, a record for any two-dimensional quantum source. We demonstrate reversible tuning of the emission and related photophysical properties. We also observe rotation of the optical dipole in response to strain, suggesting the presence of a second excited state. We derive a theoretical model to describe strain-based tuning in hBN, and the rotation of the optical dipole. Our work demonstrates the immense potential for strain tuning of quantum emitters in layered materials to enable their employment in scalable quantum photonic networks.

研究の動機と目的

• hBN中の量子発光体のスペクトル不均一性を解消し、統合量子フォトニクスシステムへの応用を妨げる主な障壁を克服すること。
• 2次元材料における発光体エネルギーレベルの動的かつ逆転可能な調整法として、ひずみ工学を検討すること。
• 発光体の物理的性質、特に発光エネルギーと光学双極子モーメントの向きに及ぼすひずみの影響を調査すること。
• hBN発光体におけるひずみ誘発スペクトルシフトと双極子回転を説明する理論的枠組みを構築すること。
• 将来の量子ネットワークに向けた、スケーラブルかつオンチップでの量子発光体制御を可能にすること。

提案手法

• ピエゾアクチュエータを用いた一軸引張りひずみを、量子発光体を含む数層のhBN膜に印加する。
• 変動するひずみ下での発光スペクトル測定とスペクトルシフトの追跡に、共焦点マイクロスペクトロスコピーを用いる。
• ひずみ下での光学双極子モーメントの回転を検出するための偏光分解測定を実施する。
• エネルギー準位のずれとひずみ場への結合を記述する、ひずみ依存のハミルトニアンモデルの構築。
• 観察された双極子再配列と励起状態の結合を説明するため、ひずみ誘発対称性の破れの分析。
• 実験結果と理論的予測の比較により、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引張りひずみは、hBN発光体の発光エネルギーをどの程度調整可能か？
• RQ2 印加されたひずみは、hBN発光体の光学双極子の向きにどのように影響するか？
• RQ3 hBNベースの量子発光体において、スペクトル調整が逆転可能かつ再現可能に行えるか？
• RQ4 hBN発光体のひずみ応答において、高エネルギー励起状態が果たす役割は何か？
• RQ5 ひずみ結合ハミルトニアンに基づく理論的モデルは、観察されたスペクトル的・双極子的挙動をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• hBN量子発光体において、引張りひずみによって最大65 meVのスペクトルシフトが誘発された。これは、いかなる2次元量子光源に対しても報告された最大値である。
• スペクトル調整は完全に逆転可能であり、発光エネルギーの安定的かつ制御可能な変調が可能であることを示した。
• ひずみにより、光学双極子の回転が測定可能であり、第二励起状態や対称性の破れに起因する結合が示唆された。
• 観察された双極子回転は、電子構造のひずみ誘発的変化を組み込んだ理論的モデルと整合的であった。
• 理論的モデリングにより、ひずみ依存のエネルギー準位シフトと双極子再配列が正確に再現され、物理的メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 本研究の結果により、2次元材料中の量子発光体のオンチップスペクトル制御として、ひずみ工学が実用的かつスケーラブルな手法であることが確立された。