Nowe spojrzenie na niedoskonałości
Klasyczne podejście do optyki kwantowej zawsze zakładało, że idealny emiter powinien mieć wąskie, precyzyjnie zdefiniowane spektrum emisji. Tymczasem centra NV w diamentach charakteryzują się szerokim, pozornie chaotycznym spektrum, co do tej pory uznawano za ich główną wadę. Badacze z Nowego Jorku wykazali jednak, że ta właściwość pozwala na stworzenie nieznanego dotąd rodzaju sprzężenia kwantowego. Gdy centrum NV oddziałuje ze specjalnie zaprojektowaną strukturą fotoniczną, jego emisja transformuje się w sposób niespotykany w konwencjonalnych układach.
To, co długo uważano za wadę centrum NV – jego szerokie i nieuporządkowane spektrum emisji – okazuje się umożliwiać nowy rodzaj sprzężenia, który zmienia jego światło w sposób niespotykany dotąd – zauważa Jay Mwamba, autor raportu
W eksperymentach wykorzystano skanujący nanokryształ diamentu do badania interakcji między emisją centrów NV a topologicznym falowodem. Centra azotowo-wakancyjne działają jak miniaturowe, szerokopasmowe źródła światła, umożliwiające precyzyjną charakterystykę właściwości falowodu. Najważniejszym aspektem odkrycia jest fakt, iż sprzężenie bliskiego pola z falowodem wpływa na kształt widmowy i eliptyczność fotoluminescencji centrów NV. To zjawisko pozwala na ujawnienie nanostrukturalnych pól świetlnych z nieosiągalną wcześniej precyzją.
Nowe możliwości sensoryczne
Odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie dla rozwoju technologii informacji kwantowej. Nowy typ sprzężenia potencjalnie rozwiązuje problem dyfuzji spektralnej, który dotychczas ograniczał efektywność systemów kwantowych.
To odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla technologii informacji kwantowej, ponieważ takie sprzężenie mogłoby pomóc przezwyciężyć długotrwałe wyzwania, takie jak dyfuzja spektralna i otworzyć ścieżki do solidnego splątania spinowo-fotonowego i spinowo-spinowego na chipie – dodaje Mwamba
Najbardziej obiecująco wygląda możliwość stworzenia solidnego splątania spinowo-fotonowego bezpośrednio na chipie. W praktyce oznaczałoby to, że zamiast skomplikowanych, laboratoryjnych konfiguracji, moglibyśmy mieć kompaktowe, stabilne systemy kwantowe. Technologia otwiera też drogę do splątania spinowo-spinowego na chipie, co jest kluczowe dla rozwoju kwantowych procesorów. Poza zastosowaniami w informatyce kwantowej, odkrycie ujawnia nowe możliwości w dziedzinie sensoryki kwantowej. Analizując emisję centrów NV, zespół potrafił zrekonstruować szczegółowe obrazy trybów fotonicznych z rozdzielczością polaryzacyjną. Kontrast przekraczający 50% przy obrazowaniu struktur fotonicznych to wynik otwierający nowe możliwości w charakteryzacji układów optycznych. Rozdzielczość przestrzenna tej techniki jest ograniczona jedynie rozmiarem nanocząstki diamentu, co sugeruje potencjał dla obrazowania w skali nanometrycznej.
Możliwości z zakresu wykrywania cząsteczek
Jeszcze ciekawsze są możliwości zastosowania tej technologii w wykrywaniu cząsteczek chiralnych. Te asymetryczne molekuły odgrywają kluczową rolę w biologii i medycynie – od struktury białek po działanie leków.
Poza strukturami fotonicznymi, ta czułość polaryzacyjna mogłaby ostatecznie zostać zastosowana do wykrywania cząsteczek chiralnych, które są kluczowe dla biologii i medycyny – podsumowuje Carlos A. Meriles
Czytaj też: Fizyka nabiera nowego wymiaru. Te sensory widzą przestrzeń i czas jednocześnie — i robią to na żywo
Dalsze badania skupią się na głębszym zrozumieniu mechanizmów interakcji emiterów kwantowych ze strukturami fotonicznymi oraz rozwijaniu praktycznych zastosowań sensorycznych. Mimo potencjalnych trudności czekających na tę technologię, prace zespołu z CCNY pokazują interesujący trend w nauce: jak pozorne “wady” systemów mogą stać się ich największymi zaletami. W świecie, gdzie każdy foton ma znaczenie, umiejętność manipulowania światłem za pomocą takich niedoskonałych emiterów może otworzyć drzwi do technologii, które zmienią nasze podejście do obliczeń kwantowych i nie tylko. To, czy uda się wykorzystać ten potencjał w praktyce, pokaże dopiero czas. Na razie możemy obserwować te badania z ciekawością, choć historia technologii kwantowej pełna jest obiecujących odkryć, które nigdy nie wyszły poza mury laboratoryjne.