Учёные Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) в сотрудничестве с японскими коллегами сумели создать сверхпроводящий чип, воспроизводящий «работу» единичного атома, и даже продемонстрировать с его помощью целый ряд квантовых эффектов, в том числе лазерную генерацию.

Действующий прототип прибора, разработанного в исследовательской лаборатории корпорации NEC, где по контракту трудятся сотрудники ФИАНа, представляет собой металлическую плёночную структуру на обычном кремниевом чипе. Изготовлен он методом электронной литографии — напылением под различными углами алюминиевых плёнок через германиевую маску, сформированную реактивным ионным травлением. Объект довольно сложный, состоящий из различных элементов: волноводных линий, подводящих и отводящих СВЧ-излучение, резонатора и островковой сверхпроводящей структуры, которая содержит нанометровые туннельные переходы.

Именно этот островок можно назвать искусственным атомом. Аналогия с атомом состоит в том, что для помещенного сюда заряда, куперовской пары или одиночного электрона возникают дискретные уровни энергии. При этом состояния, которые способны занимать заряды, могут быть заранее сконструированы исследователем. «В отличие от обычных искусственные атомы с заранее заданными свойствами можно изготавливать на чипе, — рассказывает один из авторов работы Юрий Пашкин. — Расстояние между уровнями энергии может задаваться в широком диапазоне — например, напряжением или магнитным полем. Из-за больших по сравнению с обычными атомами размеров искусственные куда сильнее взаимодействуют с электромагнитным излучением. Эти свойства позволяют изучать на чипе квантовую оптику в предельном случае, когда оптическая среда сведена к одиночному атому».

Изменяя параметры искусственного атома и его связь с внешними элементами, учёные могут формировать «свои» уровни энергии, отличные от тех, что созданы природой в элементах, перечисленных в таблице Менделеева. Создав такой атом, его можно использовать как элемент технического устройства — к примеру, квантового генератора. Для этого нужно обеспечить так называемую инверсную заселённость, то есть сделать так, чтобы заселённость верхнего энергетического уровня превышала заселённость уровня, лежащего ниже.

Такой эксперимент уже проведён. «Активная оптическая среда в виде одиночного атома когерентно связана с СВЧ-резонатором, — объясняет сотрудник NEC Олег Астафьев. — Инверсная заселённость в искусственном атоме создавалась путём пропускания постоянного тока (токовая накачка). Когда скорость генерации фотонов атомом превышала скорость их затухания в резонаторе, в нём происходило накопление и излучение фотонов, которое затем усиливалось и детектировалось. Сильная связь атома с резонатором здесь, в отличие от обычных лазеров и мазеров, приводит к беспороговому режиму лазерной генерации».

Излучение обычных лазерных устройств формируется в широком спектральном диапазоне, включая оптический. В искусственных атомах частота излучения намного ниже частоты видимого света (в общем случае она зависит от размера энергетической щели сверхпроводника). Так, первое созданное устройство, где сверхпроводником служит плёнка алюминия со сверхпроводящей щелью размером около 0,2 МэВ, работает на частоте около 0,01 ТГц. Генераторы подобных частот могут найти применение в компьютерах на основе сверхпроводящих элементов (в том числе и квантовых), так как легко сочетаются с ними. Если же использовать пленку из высокотемпературного сверхпроводника, то частота излучения может быть повышена на 1–2 порядка, и тогда она попадёт в терагерцевый диапазон.

Этот диапазон представляет собой промежуточную область, труднодоступную как для классических способов генерации излучения, так и для квантово-оптических способов (лазеров). Однако с её освоением связан целый класс чрезвычайно важных прикладных задач. Спектроскопия в ТГц-диапазоне может применяться в самых разных областях — от обнаружения взрывчатых, наркотических веществ и токсикантов до медицинской экспресс-диагностики по выдыхаемому человеком воздуху. «Терагерцевый диапазон освоен слабо, — отмечает руководитель отдела высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАНа "Владимир Пудалов|:http://www.lebedev.ru/…re/index.php?…. — И вот найден способ, как подойти к нему со всей изящностью. Лет пятнадцать назад физики научились создавать искусственные атомы и смотреть, как в них живёт отдельный электрон, два электрона, три, многоэлектронная система. Но то была игра, теперь же получился работающий прибор. Это исключительный успех».

Подготовлено по материалам Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.

Текст: Дмитрий Целиков

25 мая 2010 года, 14:29