Keistame kvantinės fizikos pasaulyje net menkiausias pokytis gali atnešti neproporcingai didelę naudą.
Naujo tyrimo autoriai parodė, kad silicyje pakanka pakeisti vos vieną vandenilio atomą šiek tiek sunkesniu jo izotopu, kad vienfotonės spinduliuotės efektyvumas pastebimai išaugtų. Iš pirmo žvilgsnio tai tėra nedidelė cheminė korekcija, tačiau ji gali turėti didžiulę reikšmę kvantiniams kompiuteriams ir itin saugiems ryšio tinklams.
Tyrėjai pabrėžia, jog efektyvūs vienfotoniai šaltiniai yra esminiai kvantinėms technologijoms, įskaitant kvantinius tinklus ir fotoninius kvantinius kompiuterius. Šis darbas taip pat meta iššūkį ilgai vyravusiam įsitikinimui, kad silicis yra prasta terpė kvantiniams šviesos šaltiniams. Priešingai – rodoma, kad silicis, kuris jau dabar sudaro šiuolaikinės elektronikos pagrindą, gali tapti ir būsimo kvantinio interneto pamatu.
„T“ centras: tobula defekto versija
Atradimo esmė – mažytis netobulumas silicio kristalinėje gardelėje, vadinamasis „T centras“. Spalvinis centras – tai smulkus defektas kristale; šiuo atveju jis sudarytas iš dviejų anglies atomų ir vieno vandenilio atomo, įterptų į silicio gardelę.
Sužadinus tokį defektą, jis gali išspinduliuoti vieną fotoną – būtent to reikia daugeliui kvantinių technologijų. „T centras“ ypač patrauklus ir dėl to, kad šviesą skleidžia tame pačiame bangos ilgių ruože, kuris naudojamas šviesolaidiniam ryšiui (telekomunikacijų O juostoje). Tai reiškia, kad toks šaltinis galėtų būti tiesiogiai suderinamas su esama ryšio infrastruktūra.
Vis dėlto iki šiol buvo rimta kliūtis: „T centras“ dalį energijos kartais praranda neišspinduliuodamas šviesos. Vietoje fotono energija išsklaidoma kaip gardelės virpesiai – šis procesas vadinamas neradiaciniu suirimu. Nors buvo žinoma, kad taip nutinka, ilgą laiką nebuvo aišku, kodėl taip yra ir kaip to išvengti, todėl tyrėjai nusprendė nuodugniai ištirti izotopų poveikį.
„T centras“, sudarytas iš dviejų anglies atomų ir vandenilio atomo silicio gardelėje, gali susidaryti skirtingomis izotopinėmis formomis. Pavyzdžiui, vandenilis gali būti dažniausiai paplitęs lengvesnis izotopas (protis) arba retesnis, sunkesnis izotopas (deuteris). Kadangi deuteris yra sunkesnis, jis keičia atomų virpesių pobūdį kristale, o tai gali lemti ir optines savybes.
Itin grynas silicis ir ekstremalios sąlygos
Norėdami šį reiškinį ištirti detaliai, tyrėjai pirmiausia pasitelkė ypač gryną silicį. Itin švarius silicio kristalus Vokietijoje išaugino mokslininkų partneriai – jie buvo sukurti projektui, kurio tikslas buvo perapibrėžti kilogramą, naudojant beveik idealius silicio rutulius. Tokie mėginiai pasirodė itin tinkami subtilioms kvantinėms savybėms tirti.
Vėliau „T centrai“ buvo sukurti apšvitinant silicį didelės energijos dalelėmis. Po apšvitinimo mėginiai buvo kruopščiai kaitinami ir aušinami, kad defektai susiformuotų tinkamai.
Parengti trijų tipų mėginiai: vieni su natūraliu vandeniliu (daugiausia protiu), kiti sąmoningai prisotinti deuterio, kad dominuotų sunkesnis izotopas, o treti praturtinti anglies-13 izotopu, taip sukuriant skirtingas anglies izotopines konfigūracijas.
Kad būtų galima tiksliai užfiksuoti menkiausius skirtumus tarp šių variantų, mėginiai buvo atšaldyti iki žemesnės nei 4 K temperatūros (apie –269,1 °C), naudojant skystą helį. Tokiose sąlygose atomų virpesiai gerokai sulėtėja, todėl kvantinius efektus lengviau išmatuoti.
Kaip virpesiai „pavagia“ šviesą?
Paruošusi mėginius, komanda pasitelkė fotoliuminescencinę spektroskopiją ir Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektrometriją, kad identifikuotų kiekvieno izotopinio varianto spinduliuotės linijas. Šie matavimai leido tiesiogiai stebėti defekto viduje vykstančius virpesių režimus.
Paaiškėjo, kad pakeitus vandenilį deuteriu sumažėja anglies ir vandenilio ryšio (C–H) virpesių energija. Iš pažiūros nedidelis pokytis pasirodė esantis lemiamas: mažesnė virpesių energija slopina nepageidaujamą suirimo kelią, kuriuo energija prarandama neišspinduliuojant fotono.
Norėdami pamatuoti, kiek ilgai kiekvienas „T centras“ išlieka sužadintos būsenos iki fotono išspinduliavimo, tyrėjai naudojo impulsinį rezonansinį lazerinį sužadinimą. Tiksliai reguliuodami lazerio dažnį, jie galėjo sužadinti pasirinktą izotopinį variantą, o fotonų atvykimo laikus registravo laiko skiriamosios gebos vienfotoniais detektoriais.
Rezultatai buvo netikėti: deuteriu pakeisto „T centro“ sužadintos būsenos gyvavimo trukmė buvo 5,4 karto ilgesnė nei įprasto, su protiu susijusio varianto. Iš esmės ji priartėjo prie tokios, kokios būtų galima tikėtis, jei neradiacinis suirimas apskritai nevyktų.
Be to, pirminiai skaičiavimai rodo, kad deuteriu prisotintas „T centras“ gali viršyti 90 % spinduliuotės efektyvumą ir net priartėti prie 98 %. Šis ryškus skirtumas atskleidė vadinamąjį „milžinišką izotopinį efektą“ ir parodė, kad energijos nuostoliai glaudžiai susiję su lokaliu C–H ryšio virpesių režimu.
Tyrėjų komanda taip pat nurodė, kad įprastas „priimančiojo režimo“ požiūris, dažnai taikomas virpesiniam suirimui modeliuoti, šiuo atveju nepaaiškina stebimų rezultatų. Vietoje to geriau veikė paprastesnis modelis, kuriame esminiu laikomas būtent C–H tamprusis virpesys – jis pakankamai tiksliai atkūrė eksperimentinius duomenis ir ryškų izotopinį priklausomumą.
Sunkesnis atomas – lengvesnis kelias į kvantinį internetą
Sunkesnis vandenilio izotopas pagerino ir optinį cikliškumą – tai yra, kiek kartų sistema gali būti sužadinta ir išspinduliuoti šviesą, kol ją reikia „pernustatyti“. Apskaičiuota, kad deuteriu prisotintas „T centras“ gali būti optiškai sužadinamas maždaug 300 kartų daugiau nei protiu paremtas analogas. Toks šuolis didina tikimybę realiai įgyvendinti vienkartinį elektrono sukinio nuskaitymą ir gali reikšmingai paspartinti kvantines operacijas, paremtas „T centrais“.
Daugelį metų silicio spalviniai centrai buvo vertinami atsargiai, nes manyta, kad jų efektyvumas nusileidžia defektams kituose kristaluose, pavyzdžiui, deimante. Šis tyrimas pateikia vienus įtikinamiausių įrodymų, kad silicis gali talpinti itin efektyvius vienfotonės spinduliuotės šaltinius.
Kadangi „T centrai“ natūraliai spinduliuoja telekomunikacijų O juostoje, jie ypač tinkami kvantinei informacijai perduoti dešimtimis kilometrų esamais šviesolaidiniais tinklais. Tai taip pat rodo, kodėl fundamentiniai atradimai gali greitai virsti praktiniais sprendimais: tyrime dalyvavusi kvantinių technologijų bendrovė jau pradėjo integruoti deuteriu prisotintus „T centrus“ į savo technologijų kūrimo procesus.
Vis dėlto tyrimai tuo nesibaigia. Kitas žingsnis – išsamiai ištirti fundamentinius virpesių režimus visose galimose „T centro“ izotopinės sudėties kombinacijose. Tokie matavimai turėtų padėti dar tiksliau suprasti, kaip spalvinio centro virpesių struktūra lemia jo optines savybes ir kaip šias savybes kryptingai gerinti.
