Учёные создали углеродные нанотрубки, излучающие одиночные фотоны

Исследователи из японского института RIKEN разработали детерминированный метод создания углеродных нанотрубок, которые испускают одиночные фотоны света из строго заданной точки. Эта технология может стать основой для будущих квантовых устройств, использующих свет.

Создание «цветового центра» в углеродной нанотрубке с помощью фотохимической реакции, вызванной ультрафиолетовым лазером и молекулой иодбензола. Автор: Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c02378

Свет уже используется для передачи данных на большие расстояния по оптическим волокнам. Использование его квантовых свойств может открыть новые возможности, включая беспрецедентную безопасность связи, так как любое вмешательство третьей стороны может быть обнаружено.

Для таких квантовых коммуникаций требуются источники света, способные испускать фотоны по одному. Хотя существует несколько подобных систем, углеродные нанотрубки считаются наиболее перспективными.

Преимущества и сложности

«Углеродные нанотрубки — единственные квантовые излучатели, способные испускать одиночные фотоны при комнатной температуре и на длинах волн, используемых в телекоммуникациях, — объясняет Юитиро Като из Центра передовой фотоники RIKEN. — Это делает их очень привлекательными для реальных приложений».

Однако до сих пор было сложно контролировать количество и положение точек излучения вдоль нанотрубки. Команде Като удалось решить обе проблемы, создав нанотрубки, излучающие из одной, контролируемо расположенной точки. Результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

Прорыв в создании и управлении

Для этого учёные помещали углеродную нанотрубку над микронной щелью и подвергали её воздействию паров иодбензола. Затем они фокусировали луч ультрафиолетового лазера на определённую точку на трубке. Комбинация ультрафиолета и иодбензола создаёт в этом месте дефект, известный как цветовой центр, который и излучает фотоны.

Чтобы гарантировать создание только одного центра, команда непрерывно отслеживала испускаемый свет и немедленно останавливала реакцию при обнаружении характерного изменения, сигнализирующего о его образовании. Положение центра контролировалось с точностью до микрона за счёт позиционирования лазерного луча.

«Мы уже выходим за рамки нанотехнологий, — отмечает Като. — Это погружение в мир атомарно определённых технологий, и для меня это очень захватывающе».

Конечная цель исследователей — создание устройств, содержащих такие нанотрубки. «Мы хотим интегрировать их в фотонные схемы на чипах, — говорит Като. — И тогда, имея такой чип, мы сможем начать диалог с производителями фотонных устройств о реальных применениях».

ИИ: Это исследование — важный шаг на пути к практическим квантовым коммуникациям. Возможность детерминированного создания и точного позиционирования однофотонных источников на базе углеродных нанотрубок при комнатной температуре открывает дорогу к более компактным и доступным квантовым устройствам, которые могут появиться в обозримом будущем.