Алмазы больше не лучшие друзья физиков. Оказалось, что одного лишнего нейтрона в водороде достаточно, чтобы кремний стал в 5 раз лучше

Иногда путь к квантовому интернету начинается не с новой машины и не с дорогого материала, а с одной замены в таблице Менделеева. Исследователи показали, что в кремнии достаточно заменить обычный водород на более тяжелый изотоп, дейтерий, и дефект в кристалле начинает заметно лучше испускать одиночные фотоны, ключевой ресурс для квантовой связи и фотонных квантовых компьютеров.

Работа бьет по старому представлению о кремнии как о слабой платформе для квантовых источников света. Новый результат показывает, что тот самый кремний, на котором держится современная электроника, может занять важное место и в будущих квантовых сетях.

В центре истории находится так называемый T-центр, микродефект в кристаллической решетке кремния. Такой дефект формируют два атома углерода и один атом водорода. При возбуждении T-центр способен испускать одиночный фотон, а именно такой режим нужен квантовым технологиям. Дополнительный плюс T-центра связан с длиной волны, излучение попадает в телекоммуникационный O-диапазон, который уже используется в волоконно-оптических линиях связи. По сути, такой источник света можно встроить в существующую инфраструктуру.

Главная проблема долго оставалась прежней. T-центр часто терял энергию без излучения фотона. Вместо света дефект отдавал энергию в колебания решетки, то есть в теплообразный вибрационный канал. Физики знали о потере, но механизм не удавалось надежно объяснить и подавить.

Команда решила разобраться через изотопы. Водород в составе T-центра может быть обычным, протием, или более тяжелым дейтерием. Более тяжелый атом меняет характер колебаний внутри кристалла, а значит может повлиять на нежелательные потери энергии. Для точной проверки ученым понадобился очень чистый кремний. Партнеры из Германии вырастили кристаллы высокой чистоты, созданные на базе технологий для проекта Avogadro, где почти идеальные кремниевые сферы использовали для переопределения килограмма.

После подготовки образцов исследователи создали T-центры с помощью облучения высокоэнергетическими частицами, а затем провели контролируемый нагрев и охлаждение, чтобы дефекты сформировались правильно. Команда собрала три типа образцов, с природным водородом, с преобладанием дейтерия и с обогащением углеродом-13, чтобы сравнить разные изотопные конфигурации.

Чтобы увидеть тонкие различия, образцы охладили ниже 4 Кельвинов при помощи жидкого гелия. При такой температуре атомные колебания резко ослабевают, а квантовые эффекты измерять проще и чище. Затем ученые применили фотолюминесцентную спектроскопию и инфракрасный Фурье-спектрометр, чтобы выделить линии излучения разных вариантов T-центра и напрямую увидеть колебательные моды внутри дефекта.

Ключевой результат оказался очень наглядным. Замена водорода на дейтерий снизила энергию колебаний связи C-H. На первый взгляд мелочь, но именно снижение энергии подавило нежелательный канал распада, который раньше уводил энергию без испускания фотона.

Дальше команда измерила время жизни возбужденного состояния, то есть сколько T-центр остается в активном состоянии перед испусканием фотона. Для этого использовали импульсное резонансное лазерное возбуждение и регистрацию времени прихода фотонов однофотонными детекторами. Лазер настраивали так, чтобы по очереди возбуждать конкретный изотопный вариант.

Разница получилась огромной. Время жизни возбужденного состояния у дейтерированного T-центра оказалось в 5,4 раза больше, чем у варианта с обычным протием. Причем значение почти совпало с тем, которое ожидали бы при практически полном отсутствии безызлучательного распада. По предварительным оценкам, эффективность дейтерированного T-центра может превышать 90 процентов и в некоторых режимах подходить выше 98 процентов. Авторы называют такой результат гигантским изотопным эффектом.

Результат помог понять и физику процесса. Потери энергии, судя по данным и моделированию, тесно связаны с локальными колебаниями связи C-H. Один из соавторов отметил, что стандартный подход для расчета вибрационного распада в этом случае не работает, а простая модель, которая учитывает только растяжение связи C-H, хорошо совпадает с экспериментом и правильно воспроизводит сильную зависимость от изотопа.

Более тяжелый водород улучшил не только эффективность излучения, но и так называемую оптическую цикличность, то есть сколько раз центр можно возбуждать и получать свет до сброса состояния. По оценке авторов, дейтерированный T-центр выдерживает примерно в 300 раз больше таких циклов, чем вариант с протием. Такой запас делает реальнее одноразовое считывание спина электрона и может ускорить квантовые операции на T-центрах.

Для области квантовых материалов работа выглядит особенно важной, потому что кремниевые цветовые центры много лет оставались в тени дефектов в алмазе. Новый эксперимент дает один из самых сильных аргументов в пользу кремния как платформы для эффективных однофотонных источников. А благодаря излучению в телеком O-диапазоне T-центры подходят для передачи квантовой информации на десятки километров по обычному оптоволокну.

Показателен и технологический отклик. Компания Photonic Inc., участвовавшая в исследовании, уже начала внедрять дейтерированный T-центр в собственный цикл разработки. Такой шаг хорошо показывает, как быстро фундаментальная физика может перейти в инженерную практику.

На этом история не заканчивается. Следующим этапом команда назвала полный анализ фундаментальных колебательных мод для всех возможных изотопных вариантов T-центра. Такой набор измерений должен точнее связать внутреннюю вибрационную структуру дефекта с его оптическими свойствами и помочь еще сильнее улучшить квантовые источники света на базе кремния.

Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.