Физики подтверждают существование эмерджентных фотонов и спиновых возбуждений в редкой квантовой спиновой жидкости в новом исследовании.
Учёные всего мира работают над тем, чтобы сделать квантовые технологии масштабными. Для этого нужен надёжный способ генерации кубитов — фундаментальных единиц информации в квантовых вычислениях.
Одним из материалов, который привлёк большое внимание как возможная платформа для кубитов, является гексагональный нитрид бора (h-BN) — двумерный материал, в котором могут размещаться твердотельные однофотонные излучатели (SPE).
В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, учёные из Университета Райса и их коллеги из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Сиднейского университета сообщают о первой демонстрации низкошумных квантовых излучателей при комнатной температуре в h-BN, созданных с помощью масштабируемого метода роста.
Исследователи использовали импульсное лазерное осаждение (PLD) для синтеза плёнок h-BN, намеренно добавляя атомы углерода в процессе осаждения. Углерод встраивается в атомную решётку h-BN таким образом, что генерируются так называемые дефекты или неровности. Эти дефекты — это скорее особенность, чем недостаток, они функционируют как надёжные SPE.
«Наша работа демонстрирует масштабируемый метод создания высокопроизводительных SPE в h-BN, что является важным шагом на пути к практическим источникам квантового света», — сказал Арка Чаттерджи, научный сотрудник лаборатории электротехника Университета Райса Шэнси Хуанга. «Этот прорыв прокладывает путь для интеграции квантовых излучателей в реальные фотонные и квантовые информационные системы».
Квантовые биты и классические биты
Эквивалентом кубита в классических вычислениях является бит — сокращение от «двоичной цифры», означающее, что он может иметь одно из двух значений: 1 или 0. Бит делает возможными современные технологии вычислений и связи, а основной способ встраивания этого двоичного состояния в физические системы в наших нынешних устройствах — это электрический заряд.
Для эффективной работы SPE должны работать надёжно и равномерно, производя только один фотон одного вида за раз — непростая задача для структур, которые обычно называют «дефектами» или «примесями».
«Мы предположили, что введение углерода во время прямого роста плёнок h-BN может создать дефектные центры, способные излучать высокочистые одиночные фотоны при комнатной температуре», — сказал Чаттерджи, который является первым автором исследования.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда обратилась в лабораторию материаловеда Райса Пуликкеля Аджайана, где научный сотрудник Абхиджит Бисвас использовал PLD для создания сантиметровых плёнок h-BN, легированных углеродом.
Метод предлагает несколько преимуществ, включая низкие температурные требования PLD и возможность интеграции легирования в рамках одностадийного процесса синтеза.
«Предыдущие попытки создать стабильные излучатели h-BN были ограничены высокотемпературным синтезом или этапами постобработки, которые ставили под угрозу чистоту и воспроизводимость», — сказал Хуан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Райсе. «Наш метод преодолевает эти барьеры, объединяя легирование и синтез в одном масштабируемом шаге».
После того как плёнки были готовы, исследователи проверили их свойства с помощью спектроскопии фотолюминесценции, измерений фотонной корреляции и теоретического моделирования. Эти анализы показали, что плёнки h-BN, легированные углеродом, имеют «исключительно чистые и стабильные SPE, что указывает на почти идеальную однофотонную эмиссию», — сказал Чаттерджи.
«Излучатели также демонстрируют высокую яркость, сильную поляризацию и надёжную фотостабильность во время непрерывной работы», — сказал он, добавив, что расчёты из первых принципов определили структуры дефектов, вызванных углеродом, как источник излучения.
Результаты могут позволить интегрировать SPE в чиповые квантовые устройства и датчики, наконец-то открыв долгожданный переход к технологиям, основанным на квантах, для связи, обработки информации и зондирования.
«Сочетание чистоты, масштабируемости и эксплуатационной стабильности устанавливает новый стандарт и решает давние проблемы в этой области», — сказал Хуан.
Подтверждение существования квантовой спиновой жидкости
Международная команда учёных под руководством профессора физики и астрономии Университета Райса Пэнчэна Дая подтвердила существование эмерджентных фотонов и фракционализированных спиновых возбуждений в редкой квантовой спиновой жидкости.
Опубликовано в Nature Physics 19 июня, исследование идентифицирует кристаллическое соединение оксида церия циркония (Ce₂Zr₂O₇) как чёткую трёхмерную реализацию этого экзотического состояния материи.
Квантовые спиновые жидкости давно являются предметом теоретических исследований и обещают революционные технологии, включая квантовые вычисления и передачу энергии без потерь.
«Мы ответили на важный открытый вопрос, непосредственно обнаружив эти возбуждения», — сказал Дай, профессор физики и астрономии Сэма и Хелен Уорден. «Это подтверждает, что Ce₂Zr₂O₇ ведёт себя как истинный квантовый спиновый лёд, особый класс квантовых спиновых жидкостей в трёх измерениях».
Исследовательская группа использовала современные методы поляризованного рассеяния нейтронов, чтобы изолировать и идентифицировать признаки поведения квантовой спиновой жидкости. Эти инструменты позволили им отделить магнитное рассеяние от всех других сигналов даже в пределе нулевой температуры.
Между тем измерения позволили им обнаружить сигналы эмерджентных фотонов вблизи нулевой энергии — ключевая особенность, отличающая квантовый спиновый лёд от других обычных фаз в обычных магнитах. Дополнительные измерения удельной теплоёмкости соединения предоставили дополнительную поддержку, предполагая, что предсказанные эмерджентные фотоны имеют дисперсию, аналогичную тому, как звук распространяется в твёрдом теле.
Технический шум и неполные данные часто мешали более ранним попыткам подтвердить такое поведение. Команда исследователей под руководством Райса преодолела эти барьеры за счёт усовершенствованной подготовки образцов и прецизионных инструментов, включая международное сотрудничество из крупных лабораторий в Европе и Северной Америке.
Примечательно, что эмерджентные фотоны и спиноны — отличительные признаки квантового спинового льда — были обнаружены в трёхмерном материале-кандидате. Открытие исследователей положило конец давним дебатам в физике конденсированных сред и обеспечивает надёжную платформу для изучения технологий следующего поколения.
Этот основополагающий результат подтверждает десятилетия теоретических предсказаний, сказал Бин Гао, научный сотрудник Департамента физики и астрономии в Райсе и первый автор исследования.
«Этот удивительный результат побуждает учёных глубже изучать такие уникальные материалы, потенциально меняя наше понимание магнитов и поведения материалов в экстремальном квантовом режиме», — сказал Гао.