Mikroskop łączący obrazowanie atomowe z analizą światła
Kluczem do komputerów kwantowych, całkowicie bezpiecznych sieci i sensorów o niewyobrażalnej czułości są tzw. emitery kwantowe. Przez długi czas stanowiły one jednak poważny problem. Naukowcy wiedzieli, jak je wykryć, lecz nie potrafili nimi precyzyjnie sterować ani – co najważniejsze – umieszczać ich dokładnie w wybranym miejscu. To fundamentalne ograniczenie utrudniało tworzenie praktycznych układów. Wygląda na to, że właśnie udało się je pokonać. Przez lata badacze tkwili w błędnym kole. Aby zbadać, w jaki sposób emiter kwantowy emituje światło, potrzebowali próbek materiału o określonej grubości. Jednak aby dostrzec jego atomową budowę, ta sama próbka musiała być niezwykle cienka. Te dwa wymagania wykluczały się wzajemnie.
Czytaj też: Wyspy inwersji istnieją tam, gdzie być nie powinny. Przełomowe odkrycie zmienia podręczniki fizyki jądrowej
Wyzwaniem w badaniu emiterów kwantowych jest to, że ich zachowanie optyczne jest determinowane przez strukturę atomową, którą bardzo trudno obserwować bezpośrednio – wyjaśnia Jianguo Wen z Argonne National Laboratory
Przełomu dokonano dzięki specjalistycznemu mikroskopowi o nazwie QuEEN-M, który łączy obrazowanie w skali atomowej z techniką spektroskopii katodoluminescencji. W tej metodzie wiązka elektronów wzbudza materiał, powodując emisję światła. Analizując jego barwę i intensywność, można ustalić zarówno skład chemiczny emitera, jak i lokalizację defektów w sieci krystalicznej. Jako materiał testowy wybrano dwuwymiarowy kryształ – heksagonalny azotek boru, znany z występowania emiterów kwantowych.
Skręcone warstwy materiału wzmacniają sygnał
Najciekawsza obserwacja była zupełnie niespodziewana. Okazało się, że gdy warstwy azotku boru zostaną skręcone względem siebie pod specyficznymi kątami, emisja światła z emiterów gwałtownie rośnie – czasami nawet 120 razy. Te tzw. skręcone interfejsy działały jak naturalne wzmacniacze sygnału. Dzięki temu zespół mógł zlokalizować źródła emisji z dokładnością lepszą niż 10 nanometrów, co jest wielkością mniejszą niż jedna dziesięciotysięczna grubości ludzkiego włosa. Ta niebywała precyzja pozwoliła w końcu rozszyfrować atomową strukturę konkretnego, niebieskiego emitera. Okazał się nim dimer węgla, czyli para atomów węgla ustawiona pionowo w krysztale. Co kluczowe, naukowcy opanowali również technikę celowego tworzenia takich emiterów.
Gdy mogliśmy połączyć strukturę atomową ze światłem, które emituje, otworzyło to drzwi do precyzyjnej inżynierii tych emiterów kwantowych. Możemy teraz tworzyć je i dostosowywać na żądanie za pomocą wiązki elektronów – dodaje Thomas Gage
To zasadnicza różnica w podejściu. Zamiast biernie szukać przypadkowych emiterów w materiale, można je teraz projektować i umieszczać tam, gdzie są potrzebne. Ta zdolność otwiera drogę do szybszego rozwoju komputerów kwantowych i bezpiecznej komunikacji.
Wyzwania w skalowaniu technologii
Umiejętność precyzyjnego pozycjonowania pojedynczych źródeł fotonów jest absolutnie kluczowa dla budowy użytecznych i skalowalnych urządzeń kwantowych. Układy oparte na tak zaprojektowanych emiterach mogłyby przetwarzać informacje z niespotykaną wydajnością. Głównym wyzwaniem pozostaje sama metoda, która wymaga dostępu do wysoce specjalistycznej i kosztownej aparatury. To poważna przeszkoda dla masowej produkcji w najbliższej przyszłości. Zespół zdaje sobie z tego sprawę i kolejnym krokiem będą prace nad skalowalnością procesu oraz badaniem, jak różne konfiguracje atomowe wpływają na właściwości emitowanych fotonów. Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie Advanced Materials.
Czytaj też: Szokujące odkrycie fizyków. Atomy w superschłodzonym stanie zachowują się w niespodziewany sposób
Przejście od przypadkowych odkryć do celowej inżynierii materiałów kwantowych to ogromny krok naprzód, na który czekano od lat. Optymizm jest więc uzasadniony choć nietrudno dostrzec obecność technicznych barier. Sukces amerykańskiego zespołu dostarcza przede wszystkim bezcennej receptury i narzędzi badawczych. Pytanie, jak szybko uda się przełożyć tę naukową elegancję na praktyczne, dostępne technologie, na które czeka cały przemysł kwantowy. Odpowiedź na nie zależy już nie tylko od fizyków, ale także od inżynierów i producentów.