Ученые из Японии и США раскрыли физический механизм, объясняющий, почему так называемые дефекты, пустоты или вкрапления чужеродных атомов внутри листов двумерного нитрида бора, способны вырабатывать одиночные фотоны с очень широким спектром свойств. Это открытие позволит создать новые типы квантовых однофотонных излучателей, сообщила пресс-служба Городского университета Нью-Йорка (CUNY).

«Когда коллеги начали изучать эти дефекты, их замеры показали, что эти структуры излучают фотоны с разными свойствами и энергиями. <…> Нам удалось объединить эти предположительно несовместимые результаты замеров. Если говорить образно, то эти разнородные частицы света оказались разными нотами на одном и том же листе музыки», – пояснил профессор CUNY Габриель Гроссо, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Ученые совершили это открытие в ходе опытов с гексагональным нитридом бора (hBN), одной из форм двумерных материалов. Этот материал необычным образом преломляет свет, а также вырабатывает одиночные частицы света в очень узких полосах длин волн и энергий при наличии в нем различных точечных дефектов.

Это свойство делает hBN одним из самых перспективных квантовых материалов, однако его использованию мешало то, что ученые не понимали, как именно возникают одиночные фотоны внутри двумерных листов нитрида бора. Эта проблема осложнялась тем, что большое число экспериментов, проведенных разными группами физиков, указывали на очень разные свойства частиц света, возникающих в схожих по свойствам дефектах.

Американские и японские ученые обнаружили, что эти разночтения являются не ошибками замеров, а следствием взаимодействий между особыми гармоническими колебаниями и определенными типами химических связей между атомами бора и азота, которые непосредственно связаны с формированием одиночных частиц света. Как объясняет профессор Гроссо, эти колебания заставляют связи вырабатывать фотоны на разных энергиях и длинах волн подобно музыкальным нотам в разных октавах.

Как отмечают исследователи, понимание этого механизма выработки одиночных частиц света позволит создать новые квантовые приборы, использующие гексагональный нитрид бора в качестве источника одиночных частиц света с четко заданными свойствами. Это откроет дорогу для применения двумерных материалов в качестве основы для квантовых систем связи и вычислительных машин, подытожили физики.

Об источниках одиночных фотонов

Источники одиночных фотонов представляют собой один из самых важных компонентов квантовых вычислительных устройств и систем шифрации данных. Подобные излучатели и датчики частиц необходимы для передачи информации между отдельными компонентами квантового компьютера, а также они используются в работе квантовых сенсоров, в различных научных приборах и в телекоммуникационной отрасли.

За последние годы физики и инженеры разработали большое число высококачественных излучателей одиночных фотонов. Все они обладают одним общим недостатком – для их работы необходим внешний источник лазерного излучения, обладающий достаточно крупными размерами. Сейчас ученые пытаются решить эту проблему при помощи двумерных материалов, способных вырабатывать одиночные фотоны без внешнего источника излучения.