Группа исследователей из Оксфорда, Кембриджа и Манчестера добилась значительного прогресса в области квантовых материалов. Учёные разработали метод точной инженерии отдельных квантовых дефектов в алмазе. Это важный шаг на пути к созданию масштабируемых квантовых технологий. Результаты исследования [опубликованы](https://www.nature.com/articles/s41467-025-60373-5) в журнале Nature Communications.
Используя новый двухэтапный метод изготовления, исследователи впервые продемонстрировали, что можно создавать и отслеживать индивидуальные квантовые дефекты группы IV в алмазе. Эти дефекты представляют собой крошечные несовершенства в кристаллической решётке алмаза, которые могут хранить и передавать информацию по экзотическим правилам квантовой физики.
Для достижения точного контроля над появлением этих квантовых особенностей команда учёных помещала отдельные атомы олова в синтетические алмазные кристаллы, а затем использовала сверхбыстрый лазер для их активации.
Профессор Джейсон Смит, соавтор исследования из Университета Оксфорда, сказал: «Этот прорыв даёт нам беспрецедентный контроль над одиночными центрами окраски олова-вакансии в алмазе, что является важной вехой для масштабируемых квантовых устройств. Что меня больше всего радует, так это то, что мы можем наблюдать в реальном времени, как формируются квантовые дефекты».
Особенности алмазных дефектов
Дефекты в алмазе действуют как спин-фотонные интерфейсы, что означает, что они могут соединять квантовые биты информации (хранящиеся во вращении электрона) с частицами света. Дефекты олова-вакансии принадлежат к семейству, известному как центры окраски группы IV — классу дефектов в алмазе, созданных атомами кремния, германия или олова.
Центры группы IV давно ценятся за их высокую степень симметрии, которая придаёт им стабильные оптические и спиновые свойства, что делает их идеальными для приложений квантовых сетей. Считается, что центры олова-вакансии обладают лучшим сочетанием этих свойств, но до сих пор надёжное размещение и активация отдельных дефектов были серьёзной проблемой.
Метод исследования
Исследователи использовали платформу сфокусированного ионного пучка — инструмент, который действует как аэрозольный баллончик атомного масштаба, направляя отдельные ионы олова в точные позиции внутри алмаза. Это позволило им имплантировать атомы олова с нанометровой точностью.
Чтобы преобразовать имплантированные атомы олова в центры окраски олова-вакансии, команда использовала сверхбыстрые лазерные импульсы в процессе, называемом лазерным отжигом. Этот процесс мягко возбуждает крошечные области алмаза, не повреждая его. Уникальность этого подхода заключалась в добавлении обратной связи в реальном времени — мониторинга света, исходящего от дефектов во время лазерного процесса. Это позволило учёным в реальном времени видеть, когда квантовый дефект становится активным, и соответствующим образом настраивать лазер.
Доктор Андреас Тёрн, соавтор исследования из Университета Кембриджа, сказал: «Особенно примечательным в этом методе является то, что он обеспечивает контроль и обратную связь в реальном времени во время процесса создания дефектов. Это означает, что мы можем эффективно активировать квантовые излучатели и с высокой пространственной точностью — важный инструмент для создания крупномасштабных квантовых сетей».
Гонконгский университет науки и технологий разработал новый метод управления светом
Исследовательская группа под руководством Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) приняла гиромагнитные метаматериалы с двойным нулевым индексом (GDZIMs) — новый оптический материал с экстремальными параметрами — и разработала новый метод управления светом с помощью GDZIMs. Это открытие может революционизировать такие области, как оптическая связь, биомедицинская визуализация и нанотехнологии, что приведёт к достижениям в области интегрированных фотонных чипов, высокоточной оптической связи и квантовых источников света.
Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41586-025-08948-6) в журнале Nature. Соруководителями исследования были профессор Чан Че-Тинг, исполняющий обязанности директора Института перспективных исследований Jockey Club HKUST и профессор кафедры физики, и доктор Чжан Руоян, приглашённый научный сотрудник кафедры физики в HKUST.
Особенности GDZIMs
GDZIMs — это уникальный тип оптических метаматериалов со свойствами, которые находятся точно в критической точке перехода между двумя различными фотонными топологическими фазами. Они могут манипулировать светом способами, которые ранее считались невозможными.
В отличие от обычных материалов, GDZIMs демонстрируют нулевую электрическую проницаемость и уникальные магнитооптические свойства, которые позволяют стабильно генерировать оптические пространственно-временные вихри — паттерны света, которые завихряются в пространстве и времени. Это делает их исключительно эффективными для управления распространением света, что имеет решающее значение для многих передовых технологий.
Они могут помочь создать небольшие интегрированные фотонные чипы, которые улучшают связь за счёт минимизации помех, а также могут привести к созданию новых источников света с определённой хиральностью для передовых технологий. Более того, их уникальный механизм генерации световых вихрей представляет собой многообещающий подход к передаче пространственной оптической информации на большие расстояния, потенциально повышая как скорость, так и безопасность оптических сетевых коммуникаций.
Профессор Чан объяснил: «Это исследование объединяет три важные области физики: метаматериалы, топологическую физику и структурированные световые поля. Оно устанавливает принципиально новый механизм манипулирования световыми структурами в пространстве-времени на основе нетривиальных топологических свойств метаматериалов. Эти открытия открывают двери для высокоточных оптических устройств с широким спектром применений, которые мы только начали исследовать».
Доктор Чжан добавил: «Стабильность этих световых вихрей поразительна. Это обеспечивает прочную основу для разработки передовых материалов и технологий, которые могут преобразовать такие отрасли, как телекоммуникации и высокопроизводительные оптические схемы».