Да будет свет (по расписанию). Ученые создали «рубильник» для квантового мира

Учёные в США приблизились к созданию управляемых источников одиночных фотонов, которые считаются ключевым элементом будущих квантовых технологий. Речь идёт о так называемых квантовых эмиттерах — дефектах в кристаллах, способных испускать свет строго по одному фотону за раз. Такие структуры рассматриваются как основа для квантовых компьютеров, защищённых каналов связи и сверхчувствительных датчиков.

На протяжении многих лет главной проблемой оставалось то, что квантовые эмиттеры крайне сложно одновременно наблюдать и контролировать. Их оптические свойства напрямую зависят от атомной структуры, но методы, позволяющие изучать излучение, и методы, позволяющие рассматривать атомы, обычно требуют противоречащих друг другу условий. В результате исследователи были вынуждены выбирать между анализом света и изучением самих дефектов.

Новая работа позволяет обойти это ограничение. Исследователи сосредоточились на гексагональном нитриде бора — двумерном материале толщиной всего в несколько атомов, который уже известен как носитель квантовых эмиттеров. Для экспериментов была создана специализированная установка QuEEN-M, объединяющая атомно-разрешающую электронную микроскопию и катодолюминесценцию. При облучении материала сфокусированным электронным пучком дефекты в кристалле начинали светиться, а анализ спектра излучения позволял точно связать характеристики света с конкретной атомной конфигурацией.

Такой подход дал возможность одновременно видеть структуру дефекта и изучать его оптические свойства. Более того, учёные обнаружили, что поворот слоёв нитрида бора под определёнными углами формирует так называемые скрученные интерфейсы, которые усиливают сигнал квантовых эмиттеров в десятки и даже сотни раз. Это позволило локализовать источники света с точностью менее 10 нанометров и точно определить их природу.

В частности, исследователям удалось установить, что один из синих квантовых эмиттеров представляет собой димер углерода — две атомные примеси углерода, расположенные вертикально внутри кристаллической решётки. Связывание атомной структуры с излучаемым светом открыло путь к целенаправленному созданию таких эмиттеров. По словам авторов работы, ранее отмечавших в комментарии для Phys.org, теперь их можно не просто находить, но и формировать и настраивать с помощью электронного пучка по заданным параметрам.

Этот результат означает переход от случайного обнаружения квантовых эмиттеров к их осознанной инженерии. Точное размещение источников одиночных фотонов критически важно для масштабируемых квантовых чипов, которые смогут эффективно обрабатывать информацию, передавать данные с высокой степенью защиты и усиливать сигналы с минимальными потерями.

В то же время технология пока остаётся сложной и требует специализированного оборудования, что ограничивает её применение в массовом производстве. В дальнейшем исследователи планируют упростить метод и изучить, как различные атомные дефекты влияют на поведение фотонов. Результаты работы опубликованы в научном журнале Advanced Materials.