Ученые раскрыли квантовую магию алмазов
В отличие от ювелиров, ученые ценят алмазы не столько за блеск, сколько за их необычные квантовые свойства. Если в кристаллической решетке камня есть дефект, например, туда случайно попал атом азота — так называемый центр азотно-вакансионного типа (NV‑центр) — он начинает вести себя как микроскопический источник света, который испускает отдельные фотоны. Эти частицы можно использовать для передачи квантовой информации, однако проблема заключается в том, что свет, излучаемый NV‑центрами, рассеивается во все стороны, и только малая его часть достигает детекторов.
Команда из из Еврейского университета в Иерусалиме и Университета имени Гумбольдта в Берлине решила эту задачу, превратив алмаз в часть миниатюрной оптической антенны. Ученые внедрили нанокристаллы алмаза с NV‑центрами в гибридные наноантенны особой конструкции, состоящие из чередующихся слоев металла и диэлектрика в виде концентрических колец, напоминающих мишень. Такая структура направляет фотоны строго в заданном направлении и предотвращает их потерю. Используя сверхточное позиционирование, специалисты разместили наноалмазы точно в центре антенны — с точностью до нескольких миллиардных долей метра.
Результат превзошел ожидания: новый чип позволил собрать до 80% излучаемых фотонов при обычной комнатной температуре. Это огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками, в которых ученым удавалось использовать лишь малую часть света.
«Наш метод значительно приближает нас к практическому применению квантовых технологий в реальных устройствах», — объяснил соавтор работы, профессор Рапапорт. «Делая сбор фотонов более эффективным, мы открываем дверь к таким технологиям, как защищенная квантовая связь и сверхчувствительные датчики».
Руководитель исследования, доктор Любоцкий добавил: «Что нас особенно радует — технология работает в простой конструкции на основе чипа и при комнатной температуре. Это означает, что ее можно интегрировать в реальные системы гораздо проще, чем раньше».
Важность этого достижения трудно переоценить. Квантовые технологии обещают революцию во многих областях — от медицинской диагностики до защиты информации. Однако для их практического применения необходимо эффективно управлять квантовыми состояниями света. Азотно-вакансионные центры в алмазах считаются одними из самых перспективных кандидатов для этой цели, поскольку они стабильны и могут работать при комнатной температуре, в отличие от многих других квантовых систем, требующих экстремального охлаждения.
Исследование стало ярким доказательством значительного потенциала алмазов далеко за пределами ювелирной промышленности: они способны сиять не только в украшениях — теперь их блеск может стать основой для квантовой электроники будущего.
Ранее ученые обнаружили внутри алмазов скрытые силы, которые ускорят технологии в 1000 раз.
