[논문 리뷰] Strain Engineering of Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride

Noah Mendelson, Marcus W. Doherty외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 19.

Graphene research and applications참고 문헌 45인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 삼각형 붕소질화물(hBN)에서 양자 발광체의 스펙트럼을 조절하기 위한 변형 공학이 매우 효과적인 방법임을 입증하며, 인장 변형을 가함으로써 최대 65 meV의 가역적 스펙트럼 이동을 달성한다—이것은 2D 재료에서 기록적인 수준이다. 연구는 변형에 의한 분극 모멘트의 회전을 규명하고, 변형과 발광 에너지 및 광학 전이 행동 간의 관계를 설명하는 이론적 모델을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• hBN에서의 양자 발광체의 스펙트럼 비균일성을 해결함으로써, 이들이 통합 양자 광학 시스템에서의 응용을 방해하는 주요 장벽을 극복한다.
• 2D 재료에서 발광체의 에너지 준위를 동적으로 가역적으로 조절할 수 있는 변형 공학을 탐색한다.
• 변형이 발광 물리적 성질, 특히 발광 에너지와 광학 분극 모멘트 방향에 미치는 영향을 조사한다.
• hBN 발광체에서 변형에 의한 스펙트럼 이동과 분극 모멘트의 회전을 설명하는 이론적 프레임워크를 수립한다.
• 미래의 양자 네트워크를 위한 스케일러블하고 온칩 제어가 가능한 양자 발광체를 실현한다.

제안 방법

• 압전 세라믹 액추에이터 장치를 사용하여 양자 발광체를 포함한 다층 hBN 필름에 단축 변형을 적용한다.
• 변형이 가해지는 동안 스펙트럼 이동을 측정하기 위해 공집적 마이크로분광법을 사용한다.
• 변형 하에서 분극 모멘트 방향의 변화를 탐지하기 위해 편광 분해 측정을 수행한다.
• 에너지 준위 이동과 변형장에 대한 결합을 기술하는 변형 의존 해밀토니안 모델을 개발한다.
• 관측된 분극 모멘트 재정렬과 옹진 상태 결합을 설명하기 위해 변형에 의한 대칭성 붕괴를 분석한다.
• 실험 결과를 이론적 예측과 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인장 변형이 hBN 발광체의 발광 에너지를 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ2 가해진 변형이 hBN 발광체의 광학 분극 모멘트 방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 hBN 기반 양자 발광체에서 스펙트럼 조절이 가역적이고 재현 가능하게 이루어질 수 있는가?
• RQ4 hBN 발광체의 변형 반응에서 고에너지 준위의 역할은 무엇인가?
• RQ5 변형 결합 해밀토니안 기반의 이론 모델이 관측된 스펙트럼 및 분극 모멘트 행동을 어느 정도 정확하게 기술하는가?

주요 결과

• hBN 양자 발광체에서 인장 변형에 의해 최대 65 meV의 스펙트럼 이동이 발생했으며, 이는 어떤 2D 양자 소스보다도 기록적인 수치이다.
• 스펙트럼 조절이 완전히 가역적이었으며, 발광 에너지의 안정적이고 제어 가능한 조절이 가능함을 보여주었다.
• 변형에 의해 광학 분극 모멘트의 측정 가능한 회전이 발생했으며, 이는 제2의 옹진 상태 또는 대칭성 붕괴 효과와의 결합을 시사한다.
• 관측된 분극 모멘트의 회전은 전자 구조의 변형에 의한 변화를 포함하는 이론 모델과 일치하였다.
• 이론적 모델링을 통해 변형 의존 에너지 준위 이동과 분극 모멘트 재정렬을 성공적으로 재현하였으며, 물리적 메커니즘의 타당성을 검증하였다.
• 결과적으로 변형 공학이 2D 재료에서 온칩 스펙트럼 제어를 위한 실현 가능하고 스케일러블한 방법임을 입증하였다.