Badaczom udało się nie tylko zaobserwować mikroskopijne struktury emitujące pojedyncze fotony, ale przede wszystkim opracować metodę ich celowego wytwarzania w dokładnie wyznaczonych lokalizacjach. Jest to porównywalne do precyzyjnego układania atomów jak klocków LEGO, gdzie każdy pojedynczy element ma kluczowe znaczenie dla przyszłości komputerów kwantowych, kryptografii czy niezwykle czułych sensorów.
Kwantowe przełączniki światła zaprojektowane atom po atomie
Emitery kwantowe działają jak mikroskopijne, doskonale kontrolowane przełączniki dla pojedynczych fotonów. Powstają w miejscach, gdzie regularna struktura kryształu jest zaburzona, a więc tam, gdzie brakuje atomów lub są one ułożone w nietypowy sposób. Przez długi czas głównym wyzwaniem był zupełny brak wiedzy na temat dokładnej budowy tych defektów oraz sposobów ich kontrolowania.
Czytaj też: Rzymski beton stoi 2000 lat, a nasz się kruszy po dekadach. Naukowcy z MIT odkryli sekret starożytnych budowniczych
Do tej pory zespoły badawcze skoncentrowały się na dwuwymiarowym materiale – heksagonalnym azotku boru, którego warstwa ma grubość zaledwie kilku atomów. Chociaż wiedziano, że kryształ ten zawiera emitery kwantowe, nikt nie potrafił wskazać konkretnych atomów za nie odpowiedzialnych. Przypominało to sytuację, w której widzimy świecące okno w budynku, ale nie jesteśmy w stanie określić, które dokładnie.
Wyzwanie w badaniu emiterów kwantowych polega na tym, że ich zachowanie optyczne jest determinowane przez ich strukturę atomową, którą bardzo trudno jest bezpośrednio obserwować – Jianguo Wen, naukowiec z Argonne National Laboratory
Technologie kwantowe, od bezpiecznej komunikacji po zaawansowane obliczenia, wymagają absolutnej kontroli nad pojedynczymi fotonami niosącymi informację. Aby systemy te mogły działać, niezbędne jest precyzyjne rozmieszczenie źródeł tych fotonów tam, gdzie są potrzebne. Dotychczasowy brak takiej możliwości stanowił barierę przed ich rozpowszechnieniem.
Mikroskop QuEEN-M rozwiązuje problem niewidzialnych defektów
Przełom w tej dziedzinie umożliwił specjalistyczny instrument o nazwie QuEEN-M, czyli Mikroskop Elektronowy Nanomateriałów z Emiterami Kwantowymi. Urządzenie to łączy w sobie dwie techniki: obrazowanie o rozdzielczości atomowej oraz spektroskopię katodoluminescencyjną. Wcześniej naukowcy mogli badać albo strukturę atomową materiału, albo emitowane przez niego światło, ale nie obie te rzeczy jednocześnie. QuEEN-M po raz pierwszy pozwolił na bezpośrednie skorelowanie konkretnego układu atomów z emitowanymi przez nie fotonami. Dzięki temu badacze z Center for Nanoscale Materials mogli przeanalizować ultracienkie warstwy heksagonalnego azotku boru, których grubość jest około stu tysięcy razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa.
Warto uświadomić sobie, jak bardzo różni się nowe podejście od wcześniejszych prób pracowania z emiterami kwantowymi. Przez lata badacze polegali na tym, co “daje materiał”. W efekcie najpierw szukało się defektu o kuszących właściwościach optycznych, a dopiero potem próbowano zrozumieć jego budowę atomową. To trochę tak, jakby projektować elektronikę, zaczynając od znalezienia przypadkowo działającego tranzystora w kawałku krzemu, zamiast najpierw narysować go na schemacie. W heksagonalnym azotku boru ten problem był szczególnie dotkliwy.
Wiadomo było, że materiał potrafi świecić od ultrafioletu po podczerwień, ale katalog proponowanych modeli strukturalnych rósł szybciej niż liczba twardych dowodów. Różne prace teoretyczne i eksperymentalne wskazywały kolejno na dimery węgla, większe klastry, a nawet bardziej złożone układy łańcuchów atomów. Dopiero połączenie mapowania katodoluminescencyjnego z obrazowaniem w skali atomowej pozwoliło na ograniczenie tej listy i przypisanie obserwowanej niebieskiej linii emisji konkretnemu dimerowi węglowemu w określonym otoczeniu krystalicznym.
Czytaj też: Te okna prawie nie tracą ciepła. MOCHI wywróci rynek termomodernizacji do góry nogami
To podejście ma jeszcze jedną, mniej oczywistą konsekwencję. Skoro wiemy, jak wygląda taki “dobry” emiter w mikroskopie i jakie widmo powinien generować, można zacząć myśleć o procesach technologicznych, które będą go odtwarzać seryjnie. W dzisiejszej elektronice drogę od pojedynczego, ręcznie wykonanego tranzystora do nowoczesnej linii produkcyjnej zajęły dekady, ale fundament był zawsze ten sam: przejść od efektu zauważonego przypadkiem do metodyki, którą da się opisać w instrukcji dla inżyniera procesowego. QuEEN-M pełni tu podwójną funkcję, bo jest zarówno mikroskopem badawczym, jak i swego rodzaju symulatorem przyszłych etapów produkcyjnych, w którym można w kontrolowanych warunkach sprawdzać, jak dany defekt reaguje na domieszkowanie, dawkę elektronów czy geometrię warstw.
Warto też podkreślić, że wybrany przez zespół materiał, czyli wspomniany heksagonalny azotek boru, nie pojawił się tu przypadkiem. Od kilku lat buduje on pozycję swego rodzaju “szwajcarskiego scyzoryka” w fotonice kwantowej, jako że jest stabilny w temperaturze pokojowej, kompatybilny z innymi dwuwymiarowymi materiałami i stosunkowo łatwy do integracji na istniejących platformach fotonicznych. Sama możliwość rozmieszczania emiterów w hBN z dokładnością do kilku nanometrów wprost na falowodach czy rezonatorach światłowodowych oznacza, że zamiast pojedynczych demonstratorów można zacząć myśleć o rzeczywistych układach zawierających dziesiątki lub setki identycznych źródeł fotonów, sprzężonych z konwencjonalną elektroniką.
Skręcone interfejsy wzmacniają sygnał nawet 120-krotnie
Kluczowe odkrycie nastąpiło podczas eksperymentów ze skręcaniem warstw badanego materiału pod różnymi kątami. Okazało się, że tak powstałe skręcone interfejsy działają, jak naturalne wzmacniacze światła. W niektórych konfiguracjach emisja z emiterów kwantowych była nawet 120 razy silniejsza niż w standardowych warstwach. Wzmocnienie sygnału pozwoliło z kolei na zlokalizowanie źródeł światła z dokładnością większą niż 10 nanometrów.
Po raz pierwszy udało się też jednoznacznie powiązać obserwowaną strukturę atomową z jej właściwościami optycznymi. Najważniejszym ustaleniem było zidentyfikowanie natury samego emitera, bo za emisję niebieskiego światła odpowiadał dimer węglowy, czyli para atomów węgla ułożonych pionowo w sieci krystalicznej. Naukowcy zademonstrowali pełen proces, a więc celowe wprowadzanie atomów węgla w wybrane miejsca materiału, a następnie aktywowanie emiterów za pomocą wiązki elektronów. Oznacza to przejście od biernego odkrywania przypadkowych defektów do ich aktywnego projektowania i wytwarzania.
Co teraz? Czyli perspektywy dla skalowalnych urządzeń kwantowych
Umiejętność precyzyjnego rozmieszczania pojedynczych źródeł fotonów stanowi fundament dla przyszłych, praktycznych urządzeń kwantowych. Układy scalone wykorzystujące tę technologię mogłyby prowadzić obliczenia z niespotykaną dziś efektywnością, przesyłać dane w sposób fundamentalnie odporny na ataki czy wykrywać sygnały z czułością przekraczającą możliwości konwencjonalnych czujników. Otwiera to drogę do integracji materiałów o specyficznych właściwościach kwantowych z tradycyjną elektroniką, co z kolei może prowadzić do tworzenia hybrydowych, wydajniejszych systemów.
Czytaj też: Odkrycia dekady? Badał tajemnice Księżyca i Marsa, a teraz NASA skierowała go ku Ziemi
Należy jednak zachować umiarkowany optymizm. Opisana technika opiera się na niezwykle zaawansowanej i kosztownej aparaturze, dostępnej tylko w nielicznych laboratoriach na świecie. Droga od laboratoryjnego eksperymentu do masowej produkcji niezawodnych chipów kwantowych jest wciąż długa i wymagać będzie dalszych lat badań nad uproszczeniem oraz przyspieszeniem całego procesu. Kolejnym krokiem dla naukowców będzie dogłębne zbadanie, jak różne konfiguracje atomowe wpływają na właściwości emitowanych fotonów. Opublikowane w czasopiśmie Advanced Materials prace są więc konkretnym i znaczącym krokiem naprzód, który precyzyjnie wskazuje kierunek dalszego rozwoju. Chociaż do codziennego użytku technologii kwantowych wciąż jest daleko, badania te przybliżają nas do świata, w którym przestają być one jedynie akademicką ciekawostką.