Алмазы известны своей красотой и необычным взаимодействием со светом, придающим бриллиантам неповторимую игру лучей. Дефект такого камня для ювелиров – огорчение, а физикам – радость. Новое исследование показало, что несовершенства этого кристалла можно с успехом использовать для тонкого управления одиночными фотонами.
Впервые в лабораторных условиях был разработан и применён на практике метод получения цельных нанопроводков из алмаза. Ранее исследователям удавалось только частично внедрять крошечные фрагменты минерала в структуру такого малого масштаба.
Впрочем, ключевой момент нынешнего достижения заключён не в масштабе объектов. Как наглядно показала команда специалистов во главе с учёными Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard SEAS), алмазная нанопроволока может служить источником единичных фотонов, выдаваемых «по требованию».
Группа Марко Лонкара (Marko Loncar) нашла подтверждение ранее рассчитанной на бумаге гипотезе в ходе своей программы по изучению нелинейных свойств фотонных кристаллов. Новая разработка совмещает в себе сразу две заявленные на сайте проекта цели: создание нанофотонного устройства, способного обрабатывать квантовую информацию, и высокочастотного генератора в рамках оптико-механической системы.
По словам учёных, новый способ радикального улучшения производительности источника отдельных фотонов базируется на природном светоизлучающем дефекте камня, называемом азотной вакансией (nitrogen vacancy — NV) или просто центром цвета алмаза. Наиболее хорошо изучена его связь с фотолюминесценцией камня, интенсивность и длина волны которой может быть изменена направленным магнитным или электрическим полем, микроволновым излучением или светом.
То, что затем происходит с электронами в области NV-дефекта, объясняется учёными с точки зрения изменения спина и сопутствующих ему явлений, таких как квантовая запутанность, спин-орбитальное взаимодействие и осцилляция Раби.
Условно говоря, центр цвета «обменивается информацией» с внешним источником лучей. Но эффективный приём фотонов в обычном камне затруднён из-за того, что чаще всего центры цвета находятся глубоко внутри них. «Пойманные в ловушку» атомы взаимодействуют с остальной кристаллической решёткой, в результате чего изменяется их электронное состояние (спин).
Если мы имеем дело с ювелирными изделиями, то видимым результатом будет красивая игра прихотливо преломлённых световых лучей. Но гарвардских учёных интересует вовсе не красота. Они нацелены на создание устройств, использующих квантово-механические эффекты, например квантовых компьютеров.
Дело в том, что спином электрона в отдельном центре цвета можно манипулировать при комнатной температуре. Каждый NV-дефект в этом случае превращается в кубит — наименьший элемент для хранения информации в таком компьютере.
«Разработанное нами устройство на основе алмазных нанопроводков фактически работает как крохотная антенна, генерирующая сильный поток отдельных фотонов, регистрируемый микроскопом, – говорит Лонкар, на днях получивший на свои изыскания грант в $50 тысяч. — Устойчивая связь относящегося к наномиру центра цвета с макрообъектами (световодами и линзами), и есть недостающее звено в создании квантового компьютера».
Однофотонная антенна, работающая как на приём, так и на передачу, позволит воссоздать это «недостающее звено», естественно и эффективно связав детектор с индивидуальным центром цвета алмаза, увеличивая его яркость и чувствительность. Создание опытного образца такого устройства можно считать одним из ключевых шагов на пути достижения новых, быстрых и безопасных технологических средств вычисления и связи.
Больше технических подробностей об эксперименте можно узнать в пресс-релизе, а также статье гарвардских специалистов, опубликованной в Nature, её препринт доступен как PDF-документ.
Действующий образец устройства сейчас представляет собой массив из нескольких тысяч алмазных нанопроводков. Каждый из них насчитывает всего несколько микрометров в длину и примерно 200 нанометров в диаметре.
Один нюанс пока ограничивает исследователей – в природных алмазах NV-дефекты распределены неравномерно, что затрудняет использование нанопроводков как антенн. В ближайшем будущем учёные планируют путём ионной бомбардировки создать равномерное распределение центров цвета в каждом кристалле.
