Международная команда исследователей изучила гексагональный нитрид бора, содержащий однофотонные излучатели. Оказалось, что благодаря дефектам кристаллической структуры в материале возникают гармонические электронные колебания — гармоники. Они и приводят к появлению одиночных фотонов. Открытие позволит изучить дефекты в других материалах с излучателями и обеспечить безопасную связь на основе квантовых технологий. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Однофотонные излучатели похожи на микроскопические лампочки, излучающие только один фотон (квант света). Эти фотоны перемещаются по оптоволоконному кабелю и передают сигнал, который невозможно перехватить. Излучатели играют важную роль в развитии квантовых технологий, особенно в области защищенной связи и изображений с высоким разрешением. Однако существующие излучатели не подходят для массового производства — они дорого стоят и сложны в изготовлении.
В 2015 году ученые обнаружили однофотонные излучатели в материале под названием гексагональный нитрид бора (hBN). С тех пор hBN применяется в разных сенсорах, криптографии и других квантовых технологиях и областях. Однофотонные излучатели появились в hBN благодаря несовершенству кристаллической структуры материала, однако до сих пор неясно, как именно hBN способствует появлению излучателей.
Японские и американские ученые решили это выяснить. Они исследователи hBN с помощью рассеяния рентгеновских лучей и фотолюминесцентной спектроскопии и обнаружили элементарное энергетическое возбуждение. Оно возникало при 285 миллиэлектронвольтах и генерировало гармонические электронные колебания — гармоники. Это длительно существующие в энергосистеме синусоидальные волны, искажающие исходную форму сигнала всплесками, провалами и шумами. Гармоники приводили к появлению одиночных фотонов подобно тому, как музыкальные гармоники создают ноты на нескольких октавах, и соответствовали однофотонным излучателям.
«Прелесть наших открытий в том, что с помощью единой шкалы энергий и гармоник мы можем систематизировать и связать все эти данные, которые, как считалось, были полностью разрознены. Используя аналогию с музыкой, можно сказать, что свойства одного фотона были разными нотами на одном и том же нотном листе», — рассказал Габриэле Гроссо, соавтор исследования из Городского университета Нью-Йорка.
Дефекты в hBN приводят к появлению квантового излучения и представляют собой одно из самых сложных физических явлений для изучения. По словам авторов, результаты исследования послужат отправной точкой для изучения дефектов в других материалах, содержащих однофотонные излучатели. Понимание квантовых механизмов в hBN позволит обеспечить безопасную связь и высокомощные вычисления, основанные на квантовых технологиях.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
