Американские физики научились размещать на листе «белого графена» квантовые источники фотонов с плотностью, близкой к теоретическому пределу. Для этого ученые «просверлили» в листе отверстия и отожгли его при температуре 850 градусов Цельсия. Помимо остальных преимуществ, изготовленные источники сравнительно дешевы и работают при комнатной температуре. Статья опубликована в Nano Letters.
Чтобы построить квантовый компьютер и подключить его к «квантовому интернету», необходимо разработать надежные источники запутанных фотонов, находящихся в заданных квантовых состояниях. В настоящее время такие источники уже существуют — в частности, запутанные фотоны можно получать с помощью холодных атомов или спонтанного параметрического рассеяния. К сожалению, все такие установки дороги и работают при довольно экстремальных условиях (например, холодные атомы нужно охлаждать до температуры порядка нескольких микрокельвинов). Поэтому перенести существующие разработки на реальную жизнь дорого и сложно, хотя и возможно в принципе.
К счастью, несколько лет назад физики обнаружили, что запутанные фотоны можно получать с помощью квантовых точек — областей полупроводника, в которых носители заряда ограничены по всем трем пространственным направлениям. Квантовые точки легко разместить на чипе с высокой плотностью, а испускаемые ими фотоны очень качественные (что это значит, можно узнать из нашей недавней новости). Осталось придумать, как синтезировать квантовые точки, которые устойчиво работают при комнатной температуре и плотно размещаются на площади полупроводника.
Группа физиков поду руководством Бенджамина Алемана (Benjamin Aleman) предложила использовать для такого синтеза гексагональный нитрид бора (hBN) — структуру, в которой атомы азота и бора выстроены в двумерную шестиугольную решетку. Из-за сходства с графеном этот материал иногда называют «белым графеном». Теоретические расчеты и эксперименты показывают, что с помощью «белого графена» действительно можно изготовить ультраяркие источники одиночных фотонов, которые остаются стабильными при комнатной температуре. Более того, благодаря малой толщине и высокой механической прочности «белого графена» такие источники сильно связываются с фотонными, плазмонными и оптомеханическими модами колебаний, что теоретически позволяет встраивать их в гибридные приборы. Тем не менее, до последнего времени физики не умели контролировать место размещения источника фотонов на листе нитрида бора, поэтому реализовать такую интеграцию на практике было невозможно.
Теперь же исследователи научились «выжигать» квантовые точки на листе «белого графена» в точно заданных местах и добились рекордной плотности размещения — суммарная площадь источников превысила 30 процентов от площади листа и вплотную приблизилась к теоретическому пределу. Чтобы добиться такого хорошего результата, ученые заметили, что при стандартном методе изготовления квантовые источники фотонов склонны формироваться около краев листа hBN. Поэтому физики «просверлили» в листе множество отверстий, чтобы увеличить длину края и заставить квантовые источники выстроиться в периодическую структуру. Для этого ученые светили на лист сфокусированными пучками ионов галлия с энергией порядка десяти килоэлектронвольт, которые «выбивали» атомы в пределах заданной области. Диаметр получившихся отверстий составлял примерно 500 нанометров, расстояние между их центрами находилось на уровне одного микрометра. Наконец, исследователи отжигали лист «белого графена» при температуре 850 градусов Цельсия, чтобы удалить остатки органических загрязнений и активировать квантовые точки.
Чтобы подтвердить, что около отверстий действительно сформировались источники фотонов, ученые просветили лист зеленым лазером (длина волны 532 нанометра) мощностью 80 микроватт. В результате лист начал светиться, причем на картине фотолюминесценции можно было отчетливо различить отдельные точки, яркость которых более чем в двадцать раз превышала яркость окружающих областей. Рассматривая корреляции между излучениями соседних точек, ученым удалось доказать, что полученные источники могут испускать отдельные фотоны, поэтому их можно назвать квантовыми. При этом площадь ярких пятен составила 31 процент от общей площади листа (при правильно подобранных параметрах установки). Предыдущее рекордное значение составляло чуть больше десяти процентов, что в 2,5 раза меньше нового рекорда. Более того, полученная плотность совсем чуть-чуть не дотягивает до теоретического предела, который составляет 36,8 процента.
Авторы статьи подчеркивают, что изготовленные ими квантовые источники фотонов не только плотно размещены на листе, но и работают при комнатной температуре. Поэтому ученые считают, что в будущем предложенный ими метод может удешевить производство квантовых компьютеров и линий связи.
Благодаря своим необычным свойствам нитрид бора позволяет получить довольно большое число интересных явлений. В частности, из него можно построить метаматериал, управляющий геометрией поверхностной электромагнитной волны, и собрать пленку, которая разделяет изотопы водорода за счет эффекта квантового сита. Более того, этот материал часто находит применение на практике: например, с его помощью можно эффективно сохранить водород, очистить выхлопы от угарного газа и даже изготовить выносливый аэрогель, который сжимается при нагревании и деформации. Наконец, гексагональный нитрид бора часто используют в качестве вспомогательного материала при изготовлении более сложных систем, позволяющих наблюдать необычные эффекты — например, сверхпроводимость графена или фазовый переход между топологическим изолятором и сверхпроводником.
Дмитрий Трунин