Ученые раскрыли квантовую магию, скрытую в алмазах
Иллюстрация, показывающая испускание фотонов из наноалмаза и направление света антенной в виде мишени. Автор: Боаз Луботцки
Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме и Университета имени Гумбольдта в Берлине разработали способ улавливать почти весь свет, испускаемый крошечными дефектами алмазов, известными как цветовые центры. Поместив наноалмазы в специально разработанные гибридные наноантенны с экстремальной точностью, команда добилась рекордного сбора фотонов при комнатной температуре — необходимого шага для квантовых технологий, таких как квантовые сенсоры и квантово-защищённые коммуникации. Статья была выбрана в качестве рекомендуемой статьи в журнале APL Quantum.
Алмазы давно ценятся за своё сияние, но исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме в сотрудничестве с коллегами из Университета имени Гумбольдта в Берлине показывают, что им удалось достичь почти оптимального «сияния», что является ключевым требованием для использования алмазов также и в квантовых технологиях. Команда приблизилась к почти идеальному сбору самых слабых световых сигналов — одиночных фотонов — от крошечных дефектов алмаза, известных как азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые жизненно важны для разработки квантовых компьютеров, сенсоров и коммуникационных сетей следующего поколения.
NV-центры — это микроскопические дефекты в структуре алмаза, которые могут действовать как квантовые «световые выключатели». Они испускают отдельные частицы света (фотоны), которые несут 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 со своими исследовательскими партнерами из Берлина решила эту задачу, внедрив наноалмазы, содержащие NV-центры, в специально разработанные гибридные наноантенны. Эти антенны, построенные из слоев металла и диэлектрических материалов в точном рисунке «мишени», направляют свет в четко определенном направлении, вместо того чтобы позволять ему рассеиваться. Используя сверхточное позиционирование, исследователи разместили наноалмазы точно в центре антенны — в пределах нескольких миллиардных долей метра.
Результаты, представленные в APL Quantum, значительны: новая система может собирать до 80% испускаемых фотонов при комнатной температуре. Это кардинальное улучшение по сравнению с предыдущими попытками, когда использовалась лишь малая 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 Ронен Рапапорт.
«Что нас волнует, так это то, что это работает в простой, чиповой конструкции и при комнатной температуре. Это означает, что её можно гораздо проще, чем раньше, интегрировать в реальные системы», — добавил доктор Боаз Луботцки.
Исследование демонстрирует не только умную инженерию, но и потенциал алмазов за пределами ювелирных изделий. Поскольку квантовые технологии стремительно движутся к реальным применениям, этот прорыв может помочь проложить путь к более быстрым и надежным квантовым сетям.
Источники:
Материалы предоставлены Еврейским университетом в Иерусалиме.
Боаз Луботцки, Хамза Абудейе, Нико Николаи, Оливер Бенсон, Ронен Рапапорт. Приближение к единичному сбору фотонов от NV-центров с помощью сверхточного позиционирования наноалмазов в гибридных наноантеннах. APL Quantum, 2025; 2 (3) DOI: 10.1063/5.0272913
0 комментариев