Egyfoton forrásként alkalmazható ritkaföldfémmel adalékolt nanokristályok előállítása és vizsgálata  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
134921
típus PD
Vezető kutató Dravecz Gabriella
magyar cím Egyfoton forrásként alkalmazható ritkaföldfémmel adalékolt nanokristályok előállítása és vizsgálata
Angol cím Production and investigation of single photon source nanocrystals doped with rare earth metals
magyar kulcsszavak Egyfoton forrás, nanokristály, ritkaföld fém
angol kulcsszavak Single photon source, nanocrystal, rare earth metal
megadott besorolás
Anyagtudomány és Technológia (kémia) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
zsűri Kémia 1
Kutatóhely SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optika Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
projekt kezdete 2020-09-01
projekt vége 2023-08-31
aktuális összeg (MFt) 23.396
FTE (kutatóév egyenérték) 2.43
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A különböző anyagokkal adalékolt optikai egykristályok felhasználása igen sokoldalú: elsősorban lézer kristályként (Cr:Al2O3, azaz rubin, Nd:YAG, Ti:zafír, stb.) terjedtek el. A ritkaföldfémekkel adalékolt egykristályok főleg a koherens kvantumoptikai kísérletek során, elektromágnesesség okozta átláthatóság vizsgálatakor, fény impulzusok lassításakor és koherens kvantum memória előállításának kísérleteiben játszanak nagy szerepet. Pályázatom célja olyan nanoméretű optikai kristályszemcsék előállítása és vizsgálata, melyekben a ritkaföldfém adalék egyfoton forrásként viselkedik.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése különböző ritkaföldfémekkel adalékok nanokristályok esetén az adaléknak a mátrixba való beépítése akár eleve adalékolt egykristály őrlésével, akár az alapanyagok együttőrlésének módszerével. Cél 10 nm-es vagy annál kisebb méretű szemcsék előállítása jól definiált, reprodukálható módszerrel, melyek a ritkaföldfém adalékot elkülönült, egymástól távoli és függetlenül viselkedő atomok formájában tartalmazzák. Az előállítás optimalizálásához a dinamikus fényszórás elve alapján működő DLS módszer és pásztázó elektronmikroszkópos feltérképezés áll rendelkezésre. Az egyfoton forrás létrejöttének ellenőrzésére intézetünk „Kvantumoptika, Nanokristályok” laboratóriumában épített konfokális mikroszkóp szolgál.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Laborunkban az optikai egykristályok tömbi növesztése nagy múltra tekint vissza. Ezen anyagok fizikai, kémiai tulajdonságai jól ismertek makroszkopikus méretekben. Az analitikailag ellenőrzött minőségű adalékolt és adalékolatlan egykistályok növesztése rutinszerű. Ilyen módon, megbízható és ellenőrzött forrásból származó alapanyagokból kiindulva az előállított nanoszemcse is kiváló minőséget képvisel. Az előkísérletek biztatóak mind a szemcseméret, mind a tisztaság kérdésében. A kísérletek minden fázisának ellenőrzése tervezett és végrehajtható a rendelkezésre álló eszközök segítségével. A kapott végtermék nagy eséllyel alkalmas lesz egyfotonos gerjesztésre.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A civilizált társadalmakban élő emberek összes adatát, beleértve a pénzügyi és személyes információkat is, elektronikusan tárolják. A tudományos, hadászati, egyéb ipari titkokat szintén. Rendkívül fontos, hogy ezekhez az adatokhoz csak az arra jogosult személyek férhessenek hozzá. Az információbiztonság kérdését a mai napig nem sikerült teljes mértékben megoldani. Az egyfoton alapú kvantumkommunikációs rendszerek biztosíthatják a teljes hozzáférhetetlenséget idegenek számára. Másrészt fotonok nem csak információ biztonságos továbbítására alkalmasak, hanem a kvantumszámítógép elemi építőelemei, a kvantumbitek is reprezentálhatók velük. Az egyfoton források így a biztonságos információ továbbítás és kvantumos információ feldolgozás alapjául szolgálnak. A kutatás célja ilyen egyfoton források kiinduló pontjául szolgáló adalékolt nanokristályok előállítása.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Optical single crystals doped with different materials can be used in many areas: they spread primarily as laser crystals (Cr: Al2O3 (ruby), Nd: YAG, Ti:. sapphires, etc.). The rare earth doped single crystals became important for coherent quantum optical experiments: electromagnetically induced transparency, slow down of light pulses, coherent quantum memory have been successfully demonstrated. The aim of my project is the production and investigation of nanoscaled particles of optical crystals where the rare earth dopant acts as a single photon source.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The basic question of the research is the incorporation of different rare earth dopants into the nanocrystal matrix either by milling the doped single crystal or by milling the raw materials together. The goal is to produce particles of size 10 nm or less containing the rare earth dopant as separate, distant and non-interacting atoms by a well-defined and reproducible method. For the production optimization the dynamic light scattering principle based DLS and scanning electron microscope mapping methods are available. There is a confocal microscope built in the “Quantum Optics, Nanocrystals” lab of the institute for controlling the formation of single-photon source.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The growth of bulk optical single crystals in our laboratory has great traditions. The physical and chemical properties of these materials on a macroscopic scale are well known. The growth of analytically controlled pure and doped single crystals is a routine. Hence, starting from such reliable and controlled source materials, the produced nanoparticles has also of high quality. The preliminary experiences are promising both about the size and the quality of the particle. Verification of each phase of the experiments can be planned and performed by available devices. The final product will most likely be suitable for single-photon excitation.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
All data, including financial and personal information, of people living in civilized societies are stored electronically. The scientific, military and other industrial secrets as well. It is extremely important that only authorized persons have access to these data. The question of the information security has not been solved yet. The single photon based quantum communication systems can provide unbreakable security. On the other hand, photons are capable not only for information transfer, but they can serve as quantum bits in quantum computers. Therefore, the single photon sources serve as the basic building blocks for secure communication and quantum information processing. The aim of the research project is to synthesize doped nanocrystals for single photon sources.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
5-15 nm részecskeméretű ritkaföldfémekkel (RF) adalékolt lítium-niobát (LN) nanokristályokat állítottam elő sikeresen a RF-oxidok és szinterelt LN por együttőrlésével, valamint RF-mel adalékolt LN egykristály őrlésével golyósmalomban, nagyenergiájú őrlési eljárással. Vizsgáltam a kristályszerkezet mechanikai hatásra történő változását, 0,8t/10 perc függvénnyel írtam le a RF távozását a LN mátrixból, ahol t az őrlési idő. A nano-LN részecske RF ionjainak kidiffundálását és a rendezetlen fázis megjelenését GULP szoftverrel végzett erőtér számítások is igazolták. Optimáltam egy egyszerű és viszonylag alacsony hőmérsékletű szolvotermális eljárást is a LN nanokristályok előállítására keskeny és homogén (~100 nm) részecskeméret-eloszlással. Különálló nanorészecskéket tartalmazó jól meghatározott vastagságú homogén nikkelbevonat előállítására alkalmas forgó katódos módszert dolgoztam ki, ami lehetőséget ad a nanoanyag további vizsgálatainak megkönnyítésére. Megkezdődött a nanorészecskék vizsgálata konfokális mikroszkóppal, melynek során a tömbi mintából zöld sugárzást figyeltünk meg, amelyet az Er3+ ionok kétfotonos gerjesztési folyamata eredményezett. A 2H11/2 és 4S3/2 energiaszintekre kapott fluoreszcencia élettartam 65 µs körül adódott. Az eredményeket több konferencián ismertettem, elsősorban szóbeli előadások formájában. Két cikket publikáltunk lektorált folyóiratokban, egy kézirat elbírálás alatt van.
kutatási eredmények (angolul)
Rare-earth (RE) doped lithium niobate nanocrystals (LN) were successfully prepared by co-milling RE oxides with sintered LN powder or by grinding RE doped LN single crystal by high-energy ball milling method with the size of 5-15 nm. Change of the crystal structure due to the mechanical effect was investigated and the RE loss of the LN matrix could be described by a 0.8t/10 min function where t is the grinding time. The out-diffusion of the RE ions from the nano-LN particle and the appearance of an unordered phase was confirmed by force-field calculations by GULP software. An easy and relatively low-temperature solvothermal process was also optimized for preparing LN nanocrystals. The particle size distribution was narrow and homogeneous (~100 nm). Rotating Disc Electrode method was optimized for producing a homogeneous nickel surface with well-defined thickness containing separated nanoparticles incorporated into the coating giving a possibility for facilitating the further investigations of the nanomaterial. Examination of the nanoparticles by Confocal microscope has been started and green radiation observed from the bulk sample resulted by a two-photon excitation process in the Er3+ ions. Fluorescence lifetime of about 65 µs was obtained for the 2H11/2 and 4S3/2 energy levels. The results were presented at several conferences mainly as oral presentations. Two articles have been published in peer-reviewed journals and one manuscript is submitted.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=134921
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Dravecz Gabriella, Kolonits Tamás, Péter László: Formation of LiNbO3 Nanocrystals Using the Solvothermal Method, CRYSTALS 13: (1) 77, 2023
G. Dravecz, L. Kocsor, L. Péter, L. Kovács, Zs. Kis: Preparation of rare-earth-doped Lithium niobate nanocrystals by ball milling method, ICDIM 2020 international online conference, Novembre 23-27, 2020, 2020
G, Dravecz, L. Kocsor, L. Péter: Preparation of nanoscaled LiNbO3 doped with different RE ions by high energy ball milling method, ICOOPMA EURODIM international conference, July 3-8, 2022, Ghent, 2022
Krisztián Lengyel, Laura Kocsor, László Kovács, László Péter, Zsolt Kis and Tamás Kolonits: Experimental and theoretical considerations about intrinsic defect structures in nano-LiNbO3 crystals, ICOOPMA EURODIM international conference, July 3-8, 2022, Ghent, 2022
G. Dravecz, T. Kolonits, L. Péter: Preparation of nanoscaled LiNbO3 by solvothermal synthesis, International Workshop on Polar Oxides: Lithium Niobate and Related Compounds, May 11 - 13, 2022, Goslar, 2022
Krisztián Lengyel, Laura Kocsor, László Kovács, László Péter, Zsolt Kis and Tamás Kolonits: Intrinsic Defects in Undoped LiNbO3 from Bulk to Nanocrystals, International Workshop on Polar Oxides: Lithium Niobate and Related Compounds, May 11 - 13, 2022, Goslar, 2022
Gabriella Dravecz, László Péter: Electrodeposition of Ni / lithium niobate nanoparticles composite coatings for quantum optical applications, 14th International Workshop on Electrodeposited Nanostructures, June 9-11, 2022, Krakow, 2022
G. Dravecz, L. Péter: Preparation of nanostructured LiNbO3 containing nickel surface on silicon carrier by rotating disc electrode method” as an oral presentation, Nanotech France 2022, June 15-17, 2022, Paris, 2022
G. Dravecz, L. Péter: Preparation of nanostructured LiNbO3 containing nickel surface on silicon carrier by rotating disc electrode method, Nanotech France 2022, June 15-17, 2022, Paris, France, 2022
G, Dravecz, L. Péter, T. Kolonits, K. Lengyel: Crystal structure variation of rare earth-doped LiNbO3 during milling, ICCGE 20 International Conference, July. 30 - Aug. 4., 2023, Naples, Italy, 2023
G. Dravecz, K. Lengyel, L. Péter, L. Kocsor, Z. Kis: Comparing the solvothermal synthesis and high energy ball milling methods for preparing nanoscaled LiNbO3 doped with different RE ions, EMRS Fall Meeting, Sept. 18-21., 2023, Warshaw, Poland, 2023
K. Lengyel, G. Dravecz, L. Kocsor, Z. Kis, L. Péter: Rare-earth ions in LiNbO3 nanocrystals from the view of spectroscopic and force-field calculation, EMRS Fall Meeting, Sept. 18-21., 2023, Warshaw, Poland, 2023, 2023
Gabriella Dravecz, Laura Kocsor, László Péter, László Temleitner, Dávid Gál, Krisztián Lengyel: Rare-Earth Ion Loss of Er- or Yb-Doped LiNbO3 Crystals Due to Mechanical Destructive Effect of High-Energy Ball Milling, Crystals 2024, 14(3), 223, 2024



vissza »