На оптической микрофотографии показан образец монослойного диселенида вольфрама, правая часть которого функционализирована с помощью PTCDA. Источник: Марк Херсам, Северо-Западный университет.
Инженеры разработали новую технологию нанесения покрытия, которая поможет повысить точность и стабильность источников квантового света
Команда использовала органическую молекулу под названием PTCDA для покрытия полупроводника и заставила его излучать одиночные фотоны по одному. Каждый фотон также имел идентичную энергию, что необходимо для функционирования квантовых технологий.
Исследователи надеются, что эти надёжные полупроводники улучшат работу квантовых компьютеров.
«Основная идея заключается в том, что мы хотим перейти от отдельных квантовых компьютеров к квантовым сетям и, в конечном итоге, к квантовому интернету», — говорит автор исследования Марк Херсам из Северо-Западного университета в США.
«Квантовая связь будет осуществляться с помощью одиночных фотонов. Наша технология поможет создать стабильные, настраиваемые и масштабируемые источники одиночных фотонов — основные компоненты для воплощения этой идеи в реальность».
Полупроводник, использованный в исследовании, был изготовлен из атомарно тонкого — толщиной в один слой — диселенида вольфрама.
«Когда в диселениде вольфрама есть дефекты, например, отсутствуют атомы, материал может излучать одиночные фотоны», — говорит Херсам.
«Даже кислород в воздухе может взаимодействовать с этими квантовыми излучателями и изменять их способность производить идентичные одиночные фотоны. Любая изменчивость в количестве или энергии излучаемых фотонов ограничивает производительность квантовых технологий», — отмечает Херсам.
Команда преодолела эту проблему с помощью своего нового покрытия PTCDA, которое защищает поверхность диселенида вольфрама. Они создали это покрытие, нанося молекулы в вакуумной камере слой за слоем.
«Добавляя высокооднородный молекулярный слой, мы защищаем излучатели одиночных фотонов от нежелательных загрязнений», — говорит Херсам.
«Это молекулярно совершенное покрытие, которое создаёт однородную среду для мест излучения одиночных фотонов».
Команда обнаружила, что их покрытие повысило спектральную чистоту фотонов на 87% и также контролируемо изменило цвет фотонов без изменения свойств полупроводника.
«Хотя покрытие взаимодействует с квантовыми излучающими дефектами, оно равномерно сдвигает энергию фотонов», — говорит Херсам.
«Напротив, когда случайное загрязнение взаимодействует с квантовым излучателем, оно сдвигает энергию непредсказуемым образом. Однородность — ключ к получению воспроизводимости в квантовых устройствах».
Благодаря простоте и масштабируемости метода исследователи надеются, что их покрытие станет идеальным решением для создания надёжных технологий квантовой связи в будущем. Эффективные квантовые технологии могут быть использованы для разработки сверхточных датчиков или повышения кибербезопасности за счёт улучшения защищённых коммуникаций.
Исследовательская группа сейчас сосредоточена на изучении дополнительных материалов и покрытий, которые могут дать аналогичные результаты.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.