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.
Широкому использованию детекторов одиночных фотонов в этом диапазоне препятствует необходимость в больших, дорогостоящих и энергоёмких криогенных системах для поддержания температуры ниже 1 Кельвина. Это также затрудняет интеграцию полученных 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 Ресераб-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 Университета Манчестера, Университета Антверпена и других.
«В нашей группе мы комбинируем различные двумерные материалы. Мы складываем их, скручиваем, а затем наблюдаем, что происходит. И иногда появляются сюрпризы», — комментирует профессор ICREA в ICFO Франк Коппенс, старший автор исследования и многолетний эксперт в области двумерных материалов.
Небольшая скрутка между слоями индуцирует интерференционный узор, известный как узор муара, который 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 проявляет 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 только 50% вероятность успеха.
«В конце концов, нам удалось решить эту проблему благодаря тщательному проектированию и урокам, извлечённым из более ранних экспериментов», — добавляет он.
Как же это устройство обнаруживает одиночные фотоны? На интуитивном уровне ответ можно понять с помощью метафоры. Представьте себе огромную пустую коробку на столе и положите внутрь горсть соломинок (или зёрен риса). Ничего не произойдёт. Но что, если вы будете продолжать добавлять всё больше и больше соломинок или риса? В конце концов, вес станет слишком большим, и стол рухнет.
В лаборатории исследователи создали систему на грани коллапса. «Вместо соломинок у нас течёт электрический ток», — 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».
Однако точно понять, как одиночный фотон влияет на систему, пока не удалось. «Это то, что мы все хотели бы знать», — признаётся доктор Новаковски. «У нас есть несколько гипотез на данный момент, но нам нужно провести больше экспериментов, чтобы иметь возможность различать их».
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 нашей архитектуры детекторов, 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, поскольку обычно именно этот фактор определяет, будет ли использоваться определённый детектор. Однако на практике применение технологии зависит от многих других факторов. Возможно, этот новый метод обнаружения одиночных фотонов окажется полезным для изучения далёких галактик, молекул, имеющих медицинское значение, или носителей квантовой информации, а может быть, он станет поворотным моментом.
Предоставлено ICFO.
appears in Science.”,”The team includes ICFO researchers Dr. Krystian Nowakowski, Dr. Hitesh Agarwal, Dr. Julien Barrier, Dr. David Barcons Ruiz, Dr. Geng Li, Riccardo Bertini, Matteo Ceccanti, Dr. Iacopo Torre, Dr. Antoine Reserbat-Plantey, led by Dr. Roshan Krishna Kumar and ICREA Prof. at ICFO Frank Koppens, in collaboration with Prof. Pablo Jarillo-Herrero, researcher and professor at Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Distinguished Invited Professor at ICFO, as well as researchers from the University of Manchester, University of Antwerp, among others.”,”\”In our group, we combine different 2D materials. We stack them, twist them, and then observe what happens. And sometimes, surprises come out,\” comments ICREA Prof. at ICFO Frank Koppens, senior author of the study and long-time expert in 2D materials.”,”A slight twist between layers induces an interference pattern known as the moiré pattern, which modifies the properties of the electrons in the material. Several exotic properties, including superconductivity or orbital magnetism, have been observed in moiré lattices. In this work, ICFO—together with the international team—has added another exotic property to the list, a phenomenon known as bistability. Bistability allows a system to rest in two distinct states under the same external conditions, like a light switch that can remain stable in either the \”on\” or \”off\” positions.”,”The team has shown that bistability can serve as a new mechanism for single-photon detection—one of those surprises Koppens describes.”,”\”We noticed that the material was not behaving as we expected,\” he recalls. \”So, we thought, ‘Let’s shine some light on it and see what happens.’ That’s when we suddenly observed an extreme sensitivity to illumination.\” And the deeper they looked, the clearer it became that the material was responding to individual photons.”,”As for the results obtained in the experiment, Prof. Jarillo-Herrero highlights, \”This experiment showcases the great potential of moiré quantum devices not only in terms of fundamental science but also for novel applications in quantum technologies.\””,”The detector itself is structurally simple. It consists of bilayer graphene (a one-atom-thick layer of carbon atoms, which shows relevant physical properties) sandwiched between layers of hexagonal boron nitride (hBN), another 2D material which acts as a protective shield.”,”However, \”building the device was tricky,\” explains Dr. Hitesh Agarwal, first co-author of the study, primarily because achieving the precise alignment between bilayer graphene and hBN had only a 50% success rate.”,”\”In the end, we managed to solve it through careful design and lessons from earlier experiments,\” he adds.”,”So how does this device detect single photons? At an intuitive level, the answer can be grasped with a metaphor. Imagine a huge, empty box on a table, and put a handful of straws (or grains of rice) inside. Nothing happens. But what if you keep putting in more and more straws or rice? Eventually, the weight will become too much, and the table will collapse.”,”In the laboratory, the researchers engineered a system at the edge of collapse.”,”\”Instead of straws, we have electrical current that is flowing,\” says Dr. Krystian Nowakowski, first co-author of the paper. \”And when we reach the critical point, the device doesn’t break but suddenly switches from one stable state to another. When a single photon is absorbed, it’s like that final straw—it triggers the transition, and that’s what we detect.\””,”But how exactly does a lone, single photon tip the system?”,”\”This is something we would all love to know,\” admits Dr. Nowakowski. \”We have some hypotheses at the moment, but we need to do more experiments to be able to discern between them.\” For now, we’ll have to live with the mystery.”,”What is clear, however, is that this mechanism differs fundamentally from conventional superconducting or semiconductor-based processes. It was precisely this underlying mechanism that allowed the device to detect long-wavelength photons (up to the mid-infrared) at relatively high temperatures (around 25 degrees Kelvin).”,”\”The unique physical mechanism at the heart of our detector architecture allows us to break the fundamental limits that held previous technologies back,\” notes Dr. Krishna Kumar, who co-supervised the work.”,”The team is now focused on making the system more compact and pushing the operating temperature even higher, since this is usually the deciding factor that determines whether a certain detector will be used at all. However, many more factors come into play when determining whether a given technology will become practical. Perhaps this new method for detecting single photons won’t prove useful for studying distant galaxies, medically relevant molecules, or quantum information carriers —or perhaps it will become a turning point.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tICFO\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник