Способность обнаруживать одиночные фотоны (наименьшие пакеты энергии, составляющие электромагнитное излучение) в инфракрасном диапазоне стала насущной необходимостью во многих областях: от медицинской визуализации и астрофизики до новых квантовых технологий.
В наблюдательной астрономии, например, свет от далёких небесных объектов может быть чрезвычайно слабым и требовать исключительной чувствительности в среднем инфракрасном диапазоне. Аналогично, в квантовой связи в свободном пространстве, где одиночные фотоны должны преодолевать огромные расстояния, работа в среднем инфракрасном диапазоне может обеспечить ключевые преимущества в чёткости сигнала.
Широкое использование детекторов одиночных фотонов в этом диапазоне ограничено необходимостью в больших, дорогостоящих и энергоёмких криогенных системах для поддержания температуры ниже 1 Кельвина. Это также препятствует интеграции результирующих детекторов в современные фотонные схемы, основу современных информационных технологий.
Международная команда исследователей под руководством ICFO показала один из способов преодоления этого ограничения. Они использовали двумерные материалы (толщиной всего в один атом) для обнаружения длинноволновых одиночных фотонов (до среднего инфракрасного диапазона) при относительно высоких температурах (около 25 градусов Кельвина).
Эта веха привлекла внимание Европейского космического агентства (ЕКА), которое ищет использование детекторов с такими свойствами для исследования космоса.
Работа опубликована в журнале Science
В команду входят исследователи из ICFO: доктор Кшистиан Новаковски, доктор Хитеш Агарвал, доктор Жюльен Барриер, доктор Давид Барконс Руис, доктор Генг Ли, Риккардо Бертини, Маттео Чекканти, доктор Якопо Торре, доктор Антуан Ресебрат-Плантей, под руководством доктора Рошана Кришны Кумара и профессора ICREA в ICFO Франка Коппенса, в сотрудничестве с профессором Пабло Харилло-Эрреро, исследователем и профессором Массачусетского технологического института (MIT) и приглашённым профессором в ICFO, а также исследователями из Манчестерского университета, Антверпенского университета и других.
«В нашей группе мы комбинируем различные двумерные материалы. Мы складываем их, скручиваем, а затем наблюдаем, что происходит. И иногда случаются сюрпризы», — комментирует профессор ICREA в ICFO Франк Коппенс, старший автор исследования и многолетний эксперт в области двумерных материалов.
Небольшое скручивание между слоями индуцирует интерференционную картину, известную как муаровый узор
Этот узор модифицирует свойства электронов в материале. В этой работе ICFO вместе с международной командой добавила в список ещё одно экзотическое свойство — явление, известное как бистабильность. Бистабильность позволяет системе находиться в двух различных состояниях при одних и тех же внешних условиях, подобно выключателю света, который может оставаться стабильным как во включённом, так и в выключенном положении.
Команда показала, что бистабильность может служить новым механизмом обнаружения одиночных фотонов — одним из тех сюрпризов, о которых говорит Коппенс.
«Мы заметили, что материал ведёт себя не так, как мы ожидали, — вспоминает он. — Поэтому мы подумали: „Давайте прольём на это немного света и посмотрим, что произойдёт“. Именно тогда мы внезапно заметили чрезвычайную чувствительность к освещению».
Детектор состоит из бислойного графена (слой атомов углерода толщиной в один атом, который демонстрирует соответствующие физические свойства), расположенного между слоями гексагонального нитрида бора (hBN), ещё одного двумерного материала, который действует как защитный экран.
Однако «создание устройства было непростой задачей», — объясняет доктор Хитеш Агарвал, первый соавтор исследования, главным образом потому, что достижение точного выравнивания между бислойным графеном и hBN имело лишь 50% вероятность успеха.
«В конце концов, нам удалось решить эту задачу благодаря тщательному проектированию и урокам, извлечённым из более ранних экспериментов», — добавляет он.
Детектор одиночных фотонов
Представьте себе огромную пустую коробку на столе и положите внутрь горсть соломинок (или зёрен риса). Ничего не происходит. Но что, если вы будете продолжать добавлять соломинки или рис? В конце концов, вес станет слишком большим, и стол рухнет.
В лаборатории исследователи создали систему на грани коллапса. «Вместо соломинок у нас есть электрический ток, который течёт», — говорит доктор Кшистиан Новаковски, первый соавтор статьи. «И когда мы достигаем критической точки, устройство не ломается, а внезапно переключается из одного стабильного состояния в другое. Когда поглощается одиночный фотон, это как последняя соломинка — она запускает переход, и это то, что мы обнаруживаем».
Этот механизм отличается от традиционных сверхпроводящих или полупроводниковых процессов. Именно этот механизм позволил устройству обнаруживать длинноволновые фотоны (до среднего инфракрасного диапазона) при относительно высоких температурах (около 25 градусов Кельвина).
«Уникальный физический механизм, лежащий в основе архитектуры нашего детектора, позволяет нам преодолеть фундаментальные ограничения, которые сдерживали предыдущие технологии», — отмечает доктор Кришна Кумар, который курировал работу.
Команда сейчас сосредоточена на том, чтобы сделать систему более компактной и повысить рабочую температуру. Однако многие другие факторы также влияют на то, станет ли данная технология практической. Возможно, этот новый метод обнаружения одиночных фотонов не окажется полезным для изучения далёких галактик, медицински значимых молекул или квантовых носителей информации, а может, и станет поворотным моментом.
Предоставлено:
ICFO