Наноалмазы в гибридных наноантеннах приближают эру квантовых технологий

Иллюстрация, показывающая эмиссию фотонов из наноалмаза и свет, направляемый антенной типа «бычий глаз». Автор: Боаз Луботцки

Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме и Университета Гумбольдта в Берлине разработали способ захвата почти всего света, излучаемого крошечными дефектами алмазов, известными как цветовые центры. Разместив наноалмазы в специально разработанных гибридных наноантеннах с экстремальной точностью, команда достигла рекордного сбора фотонов при комнатной температуре — необходимого шага для квантовых технологий, таких как квантовые сенсоры и квантово-защищённые коммуникации.

Алмазы давно ценятся за их блеск, но исследователи показывают, что они могут достигать почти оптимального «сверкания», что является ключевым требованием для использования алмазов в квантовых технологиях. Команда приблизилась к почти идеальному сбору самых слабых световых сигналов — одиночных фотонов — от крошечных дефектов алмаза, известных как азотно-замещённые вакансии (NV-центры), которые жизненно важны для разработки квантовых компьютеров, сенсоров и коммуникационных сетей следующего поколения.

NV-центры представляют собой микроскопические дефекты в структуре алмаза, которые могут действовать как квантовые «световые переключатели». Они излучают отдельные частицы света (фотоны), несущие квантовую информацию. Проблема до сих пор заключалась в том, что большая часть этого света терялась во всех направлениях, что затрудняло его захват и использование.

Команда из Еврейского университета вместе с исследователями из Берлина решила эту задачу, внедрив наноалмазы с NV-центрами в специально разработанные гибридные наноантенны. Эти антенны, построенные из слоёв металла и диэлектрических материалов в точном рисунке «бычий глаз», направляют свет в чётко определённом направлении, вместо того чтобы позволять ему рассеиваться. Используя сверхточное позиционирование, исследователи разместили наноалмазы точно в центре антенны — в пределах нескольких миллиардных долей метра.

Результаты, опубликованные в APL Quantum, значительны: новая система может собирать до 80% излучаемых фотонов при комнатной температуре. Это резкое улучшение по сравнению с предыдущими попытками, когда использовалась лишь небольшая часть света.

«Наш подход приближает нас к практическим квантовым устройствам. Повышая эффективность сбора фотонов, мы открываем дверь для таких технологий, как безопасная квантовая связь и сверхчувствительные сенсоры», — пояснил профессор Рапапорт.

«Нас воодушевляет то, что это работает в простом чиповом дизайне и при комнатной температуре. Это означает, что систему можно интегрировать в реальные системы гораздо проще, чем раньше», — добавил доктор Луботцки.

Исследование демонстрирует не только умный инжиниринг, но и потенциал алмазов за пределами ювелирных изделий. Поскольку квантовые технологии стремительно движутся к реальным применениям, это достижение может помочь проложить путь к более быстрым и надёжным квантовым сетям.

Дополнительная информация: Боаз Луботцки и др., Приближение к единичному сбору фотонов от NV-центров путём сверхточного позиционирования наноалмазов в гибридных наноантеннах, APL Quantum (2025). DOI: 10.1063/5.0272913

Источник: Еврейский университет в Иерусалиме