Single photon emission from defects in hexagonal boron nitride (hBN)
Alejandro Izquierdo Molina (Universidad Autánoma de Madrid). Tutora: Maria Dolores Martin Fernández.
En este trabajo se realiza el estudio de emisores de fotones individuales en defectos de hBN (nitruro de boro hexagonal). Este material ha mostrado resultados prometedores en el mundo de la fotónica cuántica, campo que estudia la manipulación de la interacción entre luz y materia a escalas nanométricas. Los fotones individuales, partículas de luz emitidas una a una, son fundamentales para el desarrollo de las tecnologías cuánticas del futuro, ya que garantizarían altos niveles de seguridad e integridad. Sin embargo, lograr que los emisores en estado sólido cumplan con estas condiciones es un desafío, especialmente a temperatura ambiente debido a posibles pérdidas de coherencia causadas por vibraciones de la red cristalina del material.
El proceso de emisión de fotones ocurre cuando se excita el defecto en hBN con un láser. Esta excitación lleva al electrón a un nivel energético alto, del cual decae posteriormente, emitiendo fotones mediante emisión espontánea. El proceso de desexcitación puede generar luz pura (Zero Phonon Line, ZPL) o incluir vibraciones de la red (Phonon Sideband, PSB). El estudio de la emisión de fotones individuales suele enfocarse en tres parámetros críticos para evaluar el desempeño de las fuentes: el brillo (B), que mide la intensidad de la emisión; la pureza (P), que evalúa si se emiten de manera individual; y la indistinguibilidad (I), que analiza si los fotones emitidos son idénticos entre sí.
Los resultados del trabajo muestran el estudio de la fotoluminiscencia de defectos en nanocristales de hBN, con espectros que incluyen ZPLs brillantes bajo excitación noresonante. Se obtuvo el tiempo de vida y la potencia de saturación del emisor. Además, en este trabajo se realizaron avances técnicos significativos, como el desarrollo de un sistema de filtrado espectral ajustable, mediante motores rotativos y filtros de paso largo y corto, controlados por una aplicación.
La completa caracterización de la emisión de una fuente de fotones individuales, permitiría integrar estas fuentes en protocolos de distribución cuántica de claves (QKD), como BB84. Estos estudios podrían allanar el camino hacia la implementación práctica de fuentes de fotones individuales en sistemas de comunicación cuántica ¡a temperatura ambiente!.