Keistame kvantinės fizikos pasaulyje net menkiausias pakeitimas gali atverti neproporcingai didelę naudą.
Naujo tyrimo autoriai parodė, kad vien paprastas vieno vandenilio atomo pakeitimas šiek tiek sunkesniu jo izotopu silicyje gali ženkliai pagerinti vienfotonės spinduliuotės efektyvumą.
Iš pirmo žvilgsnio tai gali atrodyti kaip nedidelė cheminė korekcija, tačiau ji gali turėti didelę reikšmę kvantiniams kompiuteriams ir itin saugiems ryšio tinklams.
„Efektyvūs vienfotoniai šaltiniai yra itin svarbūs kvantinėms technologijoms, įskaitant kvantinius tinklus ir fotoninius kvantinius kompiuterius“, – pažymi tyrimo autoriai.
Šis darbas meta iššūkį ilgai vyravusiai nuostatai, kad silicis yra neefektyvi terpė kvantiniams šviesos šaltiniams. Priešingai – parodoma, kad silicis, kuris jau dabar yra šiuolaikinės elektronikos pagrindas, gali tapti ir būsimo kvantinio interneto pamatu.
„T“ centras: tobula defekto versija
Šio atradimo esmė – mažytis netobulumas silicio kristalinėje gardelėje, vadinamasis „T centras“. Spalvinis centras – tai smulkus defektas kristale; šiuo atveju – du anglies atomai ir vienas vandenilio atomas, įterpti į silicio gardelę.
Sužadinus tokį defektą, jis gali išspinduliuoti vieną fotoną – būtent to ir reikia kvantinėms technologijoms. „T centras“ ypač patrauklus tuo, kad šviesą skleidžia tame pačiame bangos ilgių ruože, kuris naudojamas šviesolaidiniam internetui (telekomunikacijų O juosta).
Tai reiškia, kad toks šaltinis galėtų būti tiesiogiai suderinamas su dabartine ryšio infrastruktūra. Tačiau iki šiol egzistavo viena rimta problema: „T centras“ kartais praranda energiją neišspinduliuodamas šviesos. Vietoje fotono išspinduliavimo energija išsklaidoma kaip virpesiai – šis reiškinys vadinamas neradiaciniu suirimu.
Mokslininkai žinojo, kad taip nutinka, tačiau nebuvo aišku, kodėl ir kaip šį procesą sustabdyti. Norėdami tai išsiaiškinti, tyrėjai nusprendė išsamiai panagrinėti izotopų poveikį.
„‘T centras’, sudarytas iš dviejų anglies atomų ir vandenilio atomo silicio gardelėje, gali būti formuojamas skirtingų izotopinių formų. Pavyzdžiui, vandenilis gali būti dažniausiai paplitęs, lengvesnis izotopas (protis) arba retesnis, sunkesnis izotopas (deuteris)“, – aiškino vienas pagrindinių tyrimo autorių Moeinas Kazemi, kalbėdamas su portalu Phys.org.
Kadangi deuteris yra sunkesnis, jis pakeičia atomų virpesius kristale. Norėdami šį reiškinį detaliai ištirti, tyrėjai pirmiausia turėjo gauti ypač gryną silicį.
Itin grynas silicis ir ekstremalios sąlygos
Tyrėjų bendradarbiai Vokietijoje išaugino itin gryno silicio kristalus, iš pradžių kurtus Avogadro projektui, kurio tikslas buvo perapibrėžti kilogramą naudojant beveik idealius silicio rutulius. Tokie ypač švarūs mėginiai buvo idealūs subtilioms kvantinėms savybėms tirti.
Vėliau mokslininkai sukūrė „T centrus“ apšvitindami silicį didelės energijos dalelėmis. Po apšvitinimo mėginiai buvo kruopščiai kaitinami ir aušinami, kad defektai susiformuotų tinkamai.
Buvo paruošti trijų tipų mėginiai: vienas – su natūraliu vandeniliu (daugiausia protiu), antras – sąmoningai prisotintas deuterio, kad dominuotų sunkesnis izotopas, o trečias – praturtintas anglies-13, taip sudarant skirtingas anglies izotopų konfigūracijas.
Kad būtų galima aiškiai užfiksuoti menkiausius skirtumus tarp šių variantų, mėginiai buvo atšaldyti iki žemesnės nei 4 Kelvino temperatūros (–269,1 °C arba –452,5 °F), naudojant skystą helį. Tokiose žemose temperatūrose atomų virpesiai labai sulėtėja, todėl kvantinius efektus lengviau išmatuoti.
Kaip virpesiai „pavagia“ šviesą?
Paruošus mėginius, komanda pasitelkė fotoliuminescencinę spektroskopiją ir Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektrometrą, 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 (C–H) ryšio virpesių energija. Iš pažiūros nedidelis pokytis pasirodė esantis itin svarbus: mažesnė virpesių energija slopina nepageidaujamą suirimo kelią, kuriuo energija prarandama neišskleidžiant šviesos.
Norėdami pamatuoti, kiek ilgai kiekvienas „T centras“ išlieka sužadintos būsenos iki išspinduliuodamas fotoną, tyrėjai naudojo impulsinį rezonansinį lazerinį sužadinimą. Tiksliai reguliuodami lazerio dažnį, jie galėjo pasirinktinai sužadinti tik vieną izotopinį variantą. Fotonų atvykimo laikai buvo registruojami laiko skiriamosios gebos vienfotoniais detektoriais.
Rezultatai nustebino. Deuteriu pakeisto „T centro“ sužadintos būsenos gyvavimo trukmė buvo 5,4 karto ilgesnė nei įprasto, su protiu susijusio varianto. Iš tiesų ši trukmė buvo beveik tokia, 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 milžiniškas skirtumas atskleidė, ką tyrėjai vadina „milžinišku izotopiniu efektu“ – jis aiškiai parodė, kad energijos nuostoliai yra glaudžiai susiję su lokaliu C–H ryšio virpesių režimu.
„Mūsų kolegos iš JAV Karinių jūrų pajėgų mokslinių tyrimų laboratorijos, Markas Turiansky ir Johnas Lyonsas, sumodeliavo šį suirimo procesą ir nustatė, kad standartinis „priimančiojo režimo“ požiūris, taikomas virpesiniam suirimui modeliuoti, šiuo atveju visiškai neveikia“, – sakė vienas tyrimo autorių Danielis Higginbottomas.
„Parodome, kad labai paprastas alternatyvus modelis, laikantis reikšmingu tik C–H tamprųjį virpesio režimą, gana gerai atitinka eksperimentinius duomenis ir atkuria ryškų izotopinį priklausomumą“, – pridūrė jis.
Sunkesnis atomas – lengvesnis kelias į kvantinį internetą
Sunkesnis vandenilio izotopas pagerino ir vadinamąją optinę cikliškumą – tai yra, kiek kartų sistema gali būti sužadinta ir išspinduliuoti šviesą, kol ją būtina „pernustatyti“.
Tyrimo autoriai apskaičiavo, kad deuteriu prisotintas „T centras“ gali būti optiškai sužadintas maždaug 300 kartų daugiau kartų nei protiu paremtas atitikmuo. „Tai leidžia realiai tikėtis vienkartinio elektrono sukinio nuskaitymo ir gali gerokai paspartinti kvantines operacijas su „T centrais“, – paaiškino Higginbottomas.
Daugelį metų silicio spalviniai centrai buvo menkai vertinami, nes manyta, kad jie yra neefektyvūs, palyginti su defektais kituose kristaluose, pavyzdžiui, deimante. Šis tyrimas yra vienas stipriausių įrodymų iki šiol, kad silicis gali talpinti itin efektyvius vienfotonės spinduliuotės šaltinius.
Kadangi „T centrai“ natūraliai spinduliuoja telekomunikacijų O juostoje, jie idealiai tinka kvantinei informacijai perduoti dešimtimis kilometrų esamais optiniais šviesolaidžiais.
Įdomu tai, kad kvantinių technologijų bendrovė „Photonic Inc“, taip pat dalyvavusi tyrime, jau pradėjo integruoti deuteriu prisotintus „T centrus“ į savo technologijų kūrimo grandinę. Tai rodo, kaip greitai fundamentinis mokslas gali būti pritaikytas praktikoje.
Vis dėlto tai nereiškia, kad tyrimai jau baigti. „Kitas mūsų žingsnis – išsamiai ištirti fundamentinius virpesių režimus visose galimose „T centro“ izotopinėje sudėtyje. Šie matavimai leis tiksliau suprasti, kaip spalvinio centro virpesių struktūra veikia jo optines savybes“, – teigė Kazemi.
