Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме и Университета Гумбольдта в Берлине разработали способ улавливания почти всего света, излучаемого крошечными алмазными дефектами, известными как цветовые центры. Помещая наноалмазы в специально разработанные гибридные наноантенны с высокой точностью, команда достигла рекордного сбора фотонов при комнатной температуре — необходимого шага для квантовых технологий, таких как квантовые датчики и защищённая квантовая связь.
Почти идеальное «сияние»
Алмазы издавна ценились за их блеск, но исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме в сотрудничестве с коллегами из Университета Гумбольдта в Берлине показывают, что они могут достичь почти оптимального «сияния» — ключевого требования для использования алмазов также в квантовых технологиях.
Команда приблизилась к почти идеальному сбору самых слабых световых сигналов — одиночных фотонов — от крошечных алмазных дефектов, известных как азот-вакансионные (NV) центры, которые жизненно важны для разработки квантовых компьютеров, датчиков и коммуникационных сетей следующего поколения.
Как это работает
NV-центры — это микроскопические несовершенства в структуре алмаза, которые могут действовать как квантовые «переключатели света». Они излучают отдельные частицы света (фотоны), несущие квантовую информацию. Проблема заключалась в том, что большая часть этого света терялась во всех направлениях, что затрудняло его захват и использование.
Команда из Еврейского университета вместе с партнёрами из Берлина решила эту задачу, поместив наноалмазы, содержащие NV-центры, в специально разработанные гибридные наноантенны. Эти антенны, построенные из слоёв металла и диэлектрических материалов в виде точного узора, направляют свет в чётко определённом направлении, а не позволяют ему рассеиваться. Используя сверхточное позиционирование, исследователи разместили наноалмазы точно в центре антенны — в пределах нескольких миллиардных долей метра.
Результаты
Результаты, опубликованные в APL Quantum, являются значительными: новая система может собирать до 80% излучаемых фотонов при комнатной температуре. Это значительное улучшение по сравнению с предыдущими попытками, когда использовалась лишь малая часть света.
Профессор Рапапорт объяснил: «Наш подход приближает нас к практическим квантовым устройствам. Повышая эффективность сбора фотонов, мы открываем двери для таких технологий, как защищённая квантовая связь и сверхчувствительные датчики».
Доктор Любоцкий добавил: «Нас воодушевляет то, что это работает в простой конструкции на основе чипа и при комнатной температуре. Это означает, что его можно гораздо легче интегрировать в реальные системы, чем раньше».
Исследование демонстрирует не только инженерное мастерство, но и потенциал алмазов за пределами ювелирного дела. Поскольку квантовые технологии стремительно приближаются к практическому применению, этот прогресс может помочь проложить путь к более быстрым и надёжным квантовым сетям.
Предоставлено Еврейским университетом в Иерусалиме.