Освещение тёмной долины в валентронике: первое прямое наблюдение тёмных экситонов в атомарно тонких материалах
Эксперименты с холодными атомами — один из самых мощных и точных способов исследования и измерения Вселенной, а также изучения квантового мира. Учёные могут обнаруживать новые состояния вещества, улавливать даже самые слабые сигналы, проводить сверхточные измерения времени и гравитации, а также выполнять эксперименты по квантовому зондированию и вычислениям.
Однако, несмотря на всю мощь и сложность, такие эксперименты всё ещё проводятся в строго контролируемой лабораторной среде. Они установлены на оптических столах и стеллажах оборудования, предназначенного для изоляции окружающей среды и обеспечения пользователям стабильности, необходимой для точного выравнивания различных лазеров и оптических компонентов.
Профессор электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Дэниел Блюменталь считает, что эти эксперименты можно вывести за пределы лаборатории и использовать для измерения и мониторинга явлений во внешнем мире. «Вы можете измерять подъём уровня моря, изменения в морском льду, даже землетрясения с точностью до ста километров, — говорит он. — События, происходящие на Земле, можно увидеть по гравитационным полям вокруг планеты. Кроме того, точные измерения времени в космосе откроют новые возможности для гравитационных экспериментов и поиска новых частиц, таких как тёмная материя».
Более десяти лет Блюменталь и его коллеги работают над тем, чтобы перевести различные функции текущих квантовых экспериментов с холодными атомами в более портативную, развёртываемую форму, интегрируя целые настольные системы в устройства, которые поместятся на ладони.
Создание холодных рубидиевых атомов с помощью лучей, доставляемых интегрированной фотоникой
В 2023 году Блюменталь и его команда объявили, что им впервые удалось создать холодные атомы рубидия с помощью лучей, доставляемых интегрированной фотоникой, с помощью своей фотонной интегрированной трёхмерной магнитооптической ловушки (PICMOT).
Доставка луча, встроенная в платформу с низким уровнем потерь на основе нитрида кремния, соединяет охлаждающие и перекачивающие лазеры с тремя лучами, которые затем взаимодействуют с атомами рубидия в вакууме.
Три луча проходят через атомную ячейку и отражаются зеркалами обратно на себя, образуя область оптического пересечения, используемую для охлаждения и захвата атомов рубидия в сочетании с магнитными катушками. После формирования охлаждённых атомов можно использовать другие лазеры для использования свойств холодных атомов и проведения дальнейших квантовых экспериментов.
«Тёплые атомы — это термические атомы, они много двигаются, — объясняет Блюменталь. — Если теперь охладить атомы и присоединить к ним лазер, вы сможете сделать более точный датчик и часы».
Исследователи доказали, что их крошечный PICMOT способен захватывать более миллиона атомов из паров рубидия внутри вакуумной ячейки и охлаждать их до 250 микрокельвинов (это примерно -460 °F или -273 °C).
«Чем больше атомов захвачено и охлаждено, тем более точным будет результирующее измерение для этих экспериментов с нейтральными атомами», — говорит Блюменталь. «Больше атомов — больше точность и чувствительность».
В 2024 году лаборатория Блюменталя сообщила о дальнейшем достижении: интеграция ультранизкоширинного лазера с самоинжекционной блокировкой на длине волны 780 нм на кремниевый нитридный чип. Используя обычный коммерчески доступный лазерный диод Фабри-Перо в качестве источника света, команда смогла «очистить», «успокоить» и настроить лазер на желаемую частоту с помощью разрабатываемых ими фотонных компонентов, включая резонаторы со сверхвысоким коэффициентом качества и волноводы с наименьшими потерями.
Наблюдение за эволюцией тёмных экситонов в атомарно тонких материалах
Впервые в мире исследователи из группы фемтосекундной спектроскопии в Институте науки и технологий Окинавы (OIST) непосредственно наблюдали эволюцию неуловимых тёмных экситонов в атомарно тонких материалах, заложив основу для новых прорывов в классических и квантовых информационных технологиях.
Их выводы были опубликованы в Nature Communications.
Профессор Кешав Дани, руководитель группы, говорит: «Тёмные экситоны обладают большим потенциалом в качестве носителей информации, поскольку они по своей природе менее склонны взаимодействовать со светом и, следовательно, менее подвержены деградации своих квантовых свойств. Однако эта невидимость также делает их очень сложными для изучения и управления».
«Опираясь на предыдущий прорыв в OIST в 2020 году, мы открыли путь к созданию, наблюдению и манипулированию тёмными экситонами», — объясняет Син Чжу, соавтор и аспирант в группе.
«В общем поле электроники манипулируют электронным зарядом для обработки информации, — объясняет Син Чжу. — В спинтронике мы используем спин электронов для передачи информации. Идя дальше, в валентронике кристаллическая структура уникальных материалов позволяет нам кодировать информацию в отдельные состояния импульса электронов, известные как долины».
Способность использовать размерность долины тёмных экситонов для передачи информации позиционирует их как многообещающих кандидатов для квантовых технологий. Тёмные экситоны по своей природе более устойчивы к факторам окружающей среды, таким как тепловой фон, чем текущее поколение кубитов, потенциально требуя менее экстремального охлаждения и делая их менее подверженными декогеренции, когда уникальное квантовое состояние разрушается.
За последнее десятилетие был достигнут прогресс в разработке класса атомарно тонких полупроводниковых материалов, известных как TMD (дихалькогениды переходных металлов).
Как и во всех полупроводниках, атомы в TMD расположены в кристаллической решётке, которая ограничивает электроны определённым уровнем (или зоной) энергии, таким как валентная зона. Когда на них воздействует свет, отрицательно заряженные электроны возбуждаются до более высокого энергетического состояния — зоны проводимости, оставляя после себя положительно заряженную дыру в валентной зоне.
Электроны и дырки связаны вместе электростатическим притяжением, образуя водородоподобные квазичастицы, называемые экситонами. Если определённые квантовые свойства электрона и дырки совпадают, то есть они имеют одинаковую спиновую конфигурацию и находятся в одной «долине» в импульсном пространстве (энергетические минимумы, которые электроны и дырки могут занимать в атомной кристаллической структуре), эти два рекомбинируют в течение пикосекунды, излучая при этом свет. Это «яркие» экситоны.
Однако, если квантовые свойства электрона и дырки не совпадают, электрону и дырке запрещено рекомбинировать самостоятельно, и они не излучают свет. Они характеризуются как «тёмные» экситоны.
«Есть два «вида» тёмных экситонов, — объясняет доктор Дэвид Бэкон, соавтор, который сейчас работает в Университетском колледже Лондона, — зависящие от того, где свойства электрона и дырки находятся в конфликте. Несоответствие свойств не только предотвращает немедленную рекомбинацию, позволяя им существовать до нескольких наносекунд (что является гораздо более полезным временным масштабом), но и делает тёмные экситоны более изолированными от взаимодействий с окружающей средой».
«Уникальная атомная симметрия TMD означает, что при воздействии состояния света с круговой поляризацией можно избирательно создавать только яркие экситоны в определённой долине, — объясняет доктор Вивек Парик, соавтор и выпускник OIST, который сейчас является президентским постдоком в Калифорнийском технологическом институте. — Однако яркие экситоны быстро превращаются в многочисленные тёмные экситоны, которые потенциально могут сохранять информацию о долине. Какой вид тёмных экситонов задействован и в какой степени они могут поддерживать информацию о долине, неясно, но это ключевой шаг в стремлении к применению в валентронике».
optical components—including lenses, modulators, frequency shifters and other components that generate, manipulate and tune light waves needed for quantum experiments.»,»There’s a wealth of knowledge to be gained by taking these experiments out of the laboratory and using their power to measure and monitor phenomena in the outside world, according to UC Santa Barbara electrical and computer engineering professor Daniel Blumenthal.»,»\»You can measure sea level rise, changes in sea ice, even earthquakes with a hundred-kilometer precision,\» he said. \»Literally, events happening on Earth you can see from the gravitational fields around the planet. Additionally, precise measurements of time in space will open up new avenues of gravitational experiments and search for new particles such as dark matter.\»»,»That’s why, for more than an entire decade, Blumenthal and collaborators have been working to translate the various functions of current cold-atom quantum experiments to a more portable, deployable form, integrating entire tabletop systems into devices that can sit in the palm of your hand. It began with a series of chip-scale projects for the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).»,»\»They wanted to make a small form-factor atomic clock,\» Blumenthal recalled of one particular project, \»and we were responsible for beam delivery.\» The \»beam\» refers to the lasers used to trap, cool and probe the timekeeping atoms—likely cesium or rubidium—which have to be confined from their atomic source to a cold \»atomic molasses\» where the timekeeping can be performed.»,»That effort led the researchers to ask: Why not miniaturize the rest of the optical table? In addition to beam delivery, there are components responsible for light (lasers), stabilization cavities, optical modulators, frequency shifting, frequency programming, gating and intensity control—all hardware meant to manipulate and modify the optical signal as it is relayed from point to point.»,»This miniaturization is not a simple task. In addition to replicating the functions of an optical table, the components have to do so with the performance necessary to perform the cooling, trapping, preparation and measurement of atomic states on miniature chips as would be done on conventional optical tables. These tiny components should then afford users the same stability in the outside world, all in a durable setup that can withstand the extreme environments into which they might be deployed.»,»\»We want to create the same stability and precision, but with the addition of reliability and ease of making more to scale to large numbers of qubits,\» Blumenthal explained. The chips would also require less power, he said, and cost less to produce for wider accessibility and commercialization.»,»Fortunately, advances in integrated photonics have been making it increasingly possible for engineers and scientists to develop chip-scale optical hardware; in other realms such as telecommunications and biomedicine, photonic integrated circuits are already major players. The time was ripe to ride the wave.»,»The first major milestone for Blumenthal and his team came in 2023 when they announced that they were able to create cold rubidium atoms with beams delivered by integrated photonics for the first time, via their photonic integrated 3D magneto-optical trap (PICMOT). The beam delivery, embedded into a low-loss silicon nitride integration platform, connects cooling and repumping lasers to three beams that then interface to rubidium atoms in a vacuum.»,»The three beams traverse the atom cell and are reflected by mirrors back on themselves to form the optical intersection region used to cool down and trap rubidium atoms, in combination with magnetic coils. Once the cooled atoms are formed, other lasers can be used to exploit the cold atoms’ properties and perform further quantum experiments.»,»\»Warm atoms—thermal atoms—move around a lot,\» Blumenthal explained. \»If you now cool the atoms and attach a laser to those transitions, you can make a more precise sensor and clock.\»»,»The researchers’ proof of concept demonstrated that their tiny PICMOT was able to trap over a million atoms from the rubidium vapor inside the vacuum cell and cool them down to 250 microkelvin (that’s about -460°F or -273°C). According to Blumenthal, the more atoms trapped and cooled, the more precise the resulting measurement would be for these neutral atom experiments.»,»\»Colder atoms plus more atoms equals better precision and more sensitivity,\» Blumenthal said. \»It’s because you’re averaging the measurement out over more sensors.\»»,»In 2024, Blumenthal’s lab reported a further accomplishment: integration of an ultra-low linewidth, self-injection locked 780nm laser onto a silicon nitride chip. Using a common, commercially available Fabry-Pérot laser diode as the light source, the team was able to \»clean up,\» \»calm down\» and tune the laser to the desired frequency with photonic components they had been developing, including ultra high-quality factor resonators and lowest-loss waveguides.»,»In cleaning up the spectral \»noise\» that comes with the store-bought laser, Blumenthal said, it becomes possible to use the light for quantum applications. The narrow linewidth, he explained, means that the emitted light is in a single frequency and is also stable enough to overcome internal and external noise and vibration.»,»\»Noise and a noisy large linewidth would limit the sensitivity of the sensor, or the speed of the quantum computer, or the stability of the atomic clock,\» he said. \»A narrow linewidth, low-noise laser comes into play when you want to do the precision work. Other functions, such as cooling, don’t require that precision laser, but there are quantum functions that do.\»»,»Indeed, the resulting photonic integrated laser is comparable to the ones in conventional setups, according to Blumenthal Lab member Andrei Isichenko. \»In some ways, the performance is improved compared to conventional lasers because of full chip-scale integration,\» he said. The compact form factor allows for faster feedback, which in turn suppresses noise and leads to a more robust signal. Fiber optics also accumulate fewer random fluctuations relative to their free-space counterpart, adding to the stability of the signal on chip.»,»With much of the optical table infrastructure for generating, moving and controlling light miniaturized, it’s only a matter of time before all these tiny 3D MOT components, including the lasers and the reference cavity, are integrated on a single chip. In an invited article for the journal Opticaphys.org/news/2025-03-cold-ato … oors-accessible.html, the researchers draw upon their experience and report on the progress and discuss potential paths toward integration.»,»\»We are there for the photonic engine for neutral atoms,\» Blumenthal said, referring to the lasers, optical components and light control and delivery. For systems that are based on trapped ions—atoms with an unequal number of protons and electrons—they are \»making their way to that engine.\»»,»As for the \»physics package,\» which contains the vacuum cell and the atoms to be cooled and trapped, the researchers are still experimenting with how to implement ideal conditions on chip, but they’re getting close, Blumenthal said, explaining that when it comes to trapping neutral atoms, more is better. But there are other ways to use atoms for these applications that utilize trapped ions, which typically require just a few atoms in a two-dimensional setup. This is another area of intense interest and effort for the Blumenthal group.»,»\»For the trapped ion physics package the trap will be on chip this year,\» he said. \»We are still a ways off from moving the physics package which holds the neutral atoms onto a chip, and we are collaborating with UMass Amherst on that.\» In fact, Blumenthal and UMass collaborator Robert Niffenegger have utilized integrated lasers to create quantum qubits with trapped ions for the first time.»,»\»The creation of a trapped ion qubit with an integrated laser in the ultra low loss silicon nitride platform is a huge milestone,\» Blumenthal said, \»that paves the path towards full integration of the trap, lasers, and optics and creation of compact trapped ion quantum computer and quantum sensors.\»»,»\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\tUniversity of California — Santa Barbara\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 Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник