Резонансное рассеяние в наноалмазах ускорило люминесценцию вдвое
Российские физики создали из нанокристаллов алмаза новый тип активных антенн для нанофотонных устройств, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Источником излучения в алмазе служат парные дефекты, состоящие из кристаллической вакансии и атома азота, а сокращение паузы между облучением и люминесцентным ответом примерно в два раза (с 20 до 9 наносекунд) происходит за счет резонанса рассеянного в частице света, пишут ученые в Nanoscale.
Прогресс оптических компьютеров, в которых вместо электронов в качестве носителей информации используются фотоны, сильно замедляется из-за того, что типичные размеры компонентов электронных схем — десятки и единицы нанометров, что значительно меньше длины волны инфракрасного излучения, которое используется для передачи информации. Поэтому во всем мире ученые работают над созданием нанофотонных устройств, которые могут обойти это ограничение. Один из их ключевых элементов таких устройств — наноантенна, способная улавливать свет нужной длины волны и преобразовывать его: изменять направление, интенсивность или частоту. В качестве наноантенн обычно используют металлические частицы, способные поглощать электромагнитное излучение за счет эффекта плазмонного резонанса. Однако могут использоваться и диэлектрические частицы: например, недавно российские ученые из предложили использовать в качестве наноантенн перовскитные кристаллы, которые могут сами излучать свет нужной длины волны и направлять его в нужную сторону.
Группа ученых из Универистета ИТМО под руководством Ильи Шадривова (Ilya Shadrivov), часть из которых до этого работала и над перовскитной антенной, предложила использовать в качестве активной наноантенны, способной усиливать интенсивность излучения, другой диэлектрический материал — алмазные нанокристаллы. Принцип работы такой наноантенны основан на совмещении квантового источника света и резонатора внутри одной частицы.
В качестве источника излучения в наноалмазе ученые предложили использовать парный дефект кристаллической решетки, состоящий встроенного в углеродную структуру атома азота (N) и связанной с ним вакансии (V) — пустой позиции в кристаллической решетке, в которой должен находиться атом углерода. Такой парный дефект отрицательно заряжен и служит в наноалмазе центром окраски, то есть способен поглощать свет в видимом диапазоне спектра и потом за счет фотолюминесценции переизлучать его с другой частотой.
Для усиления излучения NV-дефектов в наноалмазе ученые предложили подобрать размер кристалла таким образом, чтобы при этом наблюдался резонанс Ми — увеличение интенсивности рассеянного на сферической частице излучения определенных длин волн, сравнимых с размерами частицы. В этом случае за счет эффекта Парселла происходит увеличение скорости люминесценции в несколько раз по сравнению со спонтанным испусканием света в свободном пространстве.
Предложенную схему активной наноантенны физики изучили с помощью теоретических вычислений, которые затем подтвердили и экспериментально. Для возбуждения дефектных центров в кристалле размером от 300 нанометров до 2 микрометров использовался лазер с длиной волны 532 нанометра, а в результате люминесценции испускался свет широкого спектра с длиной волны примерно от 600 до 800 нанометров. В кристаллах правильного размера часть этого излучения резонировала за счет рассеяния Ми, что приводило к уменьшению времени люминесценции и увеличению ее интенсивности.
Оказалось, что время жизни возбужденного состояния NV-центров за счет эффекта Парселла уменьшается примерно в 1,5–3 раза по сравнению с нерезонансным состоянием, от 20–25 до 9–17 наносекунд. По словам авторов исследования, обычно для того чтобы сократить время затухания люминесценции и увеличить скорость излучения, приходится создавать сложную систему резонаторов, а в данном случае добиться подобных результатов удалось только за счет правильного подбора источников излучения и размера кристаллов.
Ученые отмечают, что предложенная схема активных алмазных наноантенн довольно проста для экспериментальной реализации, поэтому такие устройства обладают большим потенциалом для использования в качестве управляемых источников излучения в фотонных системах. Такие устройства могут использоваться, например, для быстрого переключения фотонных диодов, а также в качестве источников фотонов для квантовых вычислений или получения изображений биологических объектов.
Антенны для нанофотонных устройств делают не только из металлов или диэлектриков, но также и из полупроводниковых наночастиц: например, недавно физики из Австралийского национального университета получили наноантенны из смешанного арсенида галлия и алюминия, которые поглощают инфракрасный свет и за счет генерации второй гармоники преобразуют его в видимый.
Александр Дубов
Один компьютер — на сверхпроводящих контурах, другой — на ионах в ловушках
Сразу две группы физиков сообщили о результатах по симуляции неабелевых энионов на квантовом процессоре. Группа Google Quantum AI использовала для этого сверхпроводящий квантовый компьютер — их результаты опубликованы в журнале Nature. Группа Quantinuum воспользовалась квантовым компьютером на ионах в ловушках. Ознакомиться с их исследованием можно по препринту. Энионами называют класс частиц и квазичастиц, которые занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами относительно того, как меняется волновая функция после перестановки двух частиц из пары. Их существование возможно только в двумерном пространстве. Интерес к энионам обусловлен тем, что, переставляя их, можно проводить топологически защищенные квантовые вычисления. Подробнее об этом читайте в материалах «Наплели моду» и «Спиновая жидкость». Важное условие для этого — неабелевость энионов. Так называют ситуацию, при котором операторы перестановки не коммутируют. Другими словами, важны не только сами частицы, но и последовательности их перестановок. Обычно это представляют в виде переплетения мировых линий частиц. Поиск неабелевых энионов (или неабелеонов) велся по большей части в твердотельных платформах. Физики пытались найти квазичастицы с такими свойствами. Другой подход основан на симуляции неабелеонной волновой функции с помощью ресурсов квантового процессора. Именно это удалось недавно сделать двум группам: команде Google Quantum AI, работающей на сверхпроводящем квантовой компьютере, и команде Quantinuum, в распоряжении которой есть квантовый компьютер на ионах. Работа физиков из Google во многом пересекается с исследованием, в котором они доказали выгоду от масштабирования коррекции ошибок с помощью поверхностного кода (мы рассказывали об этом недавно). Поверхностным кодом называется объединение нескольких физических кубитов в один логический. Такой подход позволяет исправлять потерю квантовой информации, вызванную декогеренцией. В новом исследовании роль неабелевых энионов играли определенные дефекты в поверхностном коде, представленном в виде квадратного графа. Дефекты имели топологический характер, а потому демонстрировали нужные свойства. Физики показали, что, перемещая дефекты по графу, можно проводить плетение и кодировать таким способом квантовую информацию. Процессор позволил создать восемь неабелионов, которые авторы использовали, чтобы закодировать три логических кубита и перевести их в состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ состояние). Таким образом физики показали, что логические кубиты на основе неабелевых энионов в сверхпроводящем квантовом процессоре потенциально пригодны для квантовых вычислений. Физики из Quantinuum работали на квантовом компьютере H2, который состоит из 33 ионов иттербия, удерживаемых в чипе электронными ловушками. Стартовой точкой в этом исследовании стало запутывание 27 из них в состояние, которое можно было бы описать с помощью решетки кагомэ с периодическими граничными условиями. Такую решетку проще всего представить свернутой в тор. Полученная поверхность представляла собой виртуальное двумерное пространство, в котором могли существовать неабелевы энионы. Физики возбуждали их парами, применяя определенные логические операторы к запутанному состоянию. Они убедились, что движение возбуждений по решетке имеет неабелев характер и допускает плетение. Таким путем они создали из мировых линий трех неабелеонов топологические кольца Борромео. Манипуляции с топологией привлекают большое внимание ученых. Эти исследования были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Подробнее о том, за что ее вручили, мы рассказывали в материале «Топологически защищен».