単一原子の発光を精密に特定(Pinpointing the glow of a single atom)

2025-12-10 アルゴンヌ国立研究所 (ANL)

アルゴンヌ国立研究所の科学者らは、単一原子が放つ微弱なオーロラのような光(シンチレーション)を直接検出する新技術を開発した。通常、放射線計測では多くの原子が集団として発光するシグナルを捉えるが、今回の成果は 1個の原子が発する光を特定して計測できる史上初の手法となる。研究チームは、キセノンなどの希ガス原子が放射線により励起され発光する際の光子を、極低雑音光増幅器と高感度光検出器を組み合わせることで測定することに成功した。特に、光が放出されるタイミングと強度を高精度で捉えることで、原子レベルのエネルギー移動を解析可能にした。本技術は、ニュートリノや暗黒物質の探索に不可欠な超低バックグラウンド検出器の性能向上、原子・分子の基礎物理、量子センシング技術の発展に寄与する可能性が高いと研究者は述べている。さらに、物質中での放射線エネルギーの散逸過程を新たなスケールで観測できるため、次世代の粒子検出器設計に大きな示唆を与えるブレークスルーと位置づけられる。

<関連情報>

ねじれ六方晶窒化ホウ素における増強カソードルミネッセンスによる個々の量子エミッターのナノメートル分解能構造発光相関 Nanometer Resolution Structure-Emission Correlation of Individual Quantum Emitters via Enhanced Cathodoluminescence in Twisted Hexagonal Boron Nitride

Hanyu Hou, Muchuan Hua, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Wei-Ying Chen, Kaijun Yin, Pinak Tripathi, Maria K.Y. Chan, Benjamin T. Diroll, Thomas E. Gage, Jian-Min Zuo, Jianguo Wen
Advanced Materials  Published: 24 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202501611

単一原子の発光を精密に特定(Pinpointing the glow of a single atom)

Abstract

Understanding the atomic structure of quantum emitters, often originating from point defects or impuritie, is essential for designing and optimizing materials for quantum technologies such as quantum computing, communication, and sensing. Despite the availability of atomic-resolution scanning transmission electron microscopy and nanoscale cathodoluminescence microscopy, experimentally determining the atomic structure of individual emitters is challenging due to the conflicting needs for thick samples to generate strong cathodoluminescence signals and thin samples for structural analysis. To overcome this challenge, significantly enhanced cathodoluminescence at twisted interfaces is leveraged to achieve sub-nanometer localization precision for the first time in mapping individual quantum emitters in carbon-implanted hexagonal boron nitride. This unprecedent spatial sensitivity, together with correlative electron energy loss spectroscopy quantitative scanning transmission electron microscopy imaging, and first principles density functional theory calculations, enables the identification of the atomic structure of the 440 nm blue emitter in hexagonal boron nitride as a substituted vertical carbon dimer. Building on the atomic structure insights, nanoscale spatially precise creation of blue emitters is demonstrated by electron beam irradiation of carbon-coated hexagonal boron nitride. This advancement in correlating atomic structures with optical properties lays the foundation for a deeper understanding and precise engineering of quantum emitters, significantly advancing the development of cutting-edge quantum information technologies.

2000原子力放射線一般
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