Учёные научились управлять атомными источниками квантового света

Исследователи сообщили о разработке метода, позволяющего создавать и точно контролировать источники квантового света в сверхтонких материалах. Речь идёт о светящихся центрах размером в несколько атомов, которые можно не только обнаруживать, но и формировать в заданных точках структуры.

Такие квантовые излучатели представляют собой дефекты в кристаллической решётке, способные испускать отдельные фотоны. Их рассматривают как основу для перспективных технологий — от сверхточных сенсоров до квантовой связи и вычислительных систем. До настоящего времени их локализация и управление оставались крайне ограниченными.

Работа выполнена исследовательскими группами с использованием электронного микроскопа нового поколения QuEEN. В качестве материала использовался гексагональный нитрид бора — сверхтонкая кристаллическая структура, в которой удаётся формировать стабильные дефекты.

По словам одного из авторов исследования, Джиангуо Вена, основная сложность заключалась в том, что оптические свойства излучателей напрямую связаны с атомной структурой, которую сложно наблюдать напрямую при традиционных методах анализа.

Для решения этой задачи применялся метод облучения материала сфокусированным электронным пучком. Возникающее свечение позволило определить тип дефекта и его состав по спектру излучения. Микроскопическая система QuEEN обеспечила совмещение атомного и оптического анализа в одном эксперименте.

В ходе работы было установлено, что при определённой ориентации слоёв материала сигнал квантового излучения усиливается до 120 раз, что позволило локализовать источники с точностью менее 10 нанометров.

Отдельно отмечается, что синий квантовый излучатель формируется при наличии двух атомов углерода, расположенных в определённой конфигурации в кристалле. Исследователям удалось не только идентифицировать такие структуры, но и целенаправленно создавать их, вводя углерод и воздействуя электронным пучком в заданных областях.

По словам Томаса Гейджа, установление связи между атомной структурой и характеристиками испускаемого света позволило перейти к управляемому созданию квантовых источников. Бенджамин Диролл отметил, что точное позиционирование таких центров имеет значение для будущих квантовых технологий.

При этом технология остаётся ограниченной по масштабированию: используется уникальный и дорогостоящий микроскопический комплекс, а стабильность и долговечность излучателей пока требуют дополнительного изучения. Кроме того, на текущем этапе воспроизводится только один тип квантового источника — синий.

Несмотря на ограничения, работа демонстрирует возможность перехода от случайного обнаружения квантовых дефектов к их целенаправленному созданию с атомной точностью, что рассматривается как шаг к инженерному проектированию квантовых материалов.