Иногда большой прорыв в физике начинается с почти незаметной детали. Ученые заменили обычный водород на более тяжелый изотоп — дейтерий — в микроскопическом дефекте кремниевого кристалла. После такой точечной замены дефект под названием T-центр стал в 5,4 раза эффективнее испускать одиночные фотоны, необходимые для квантовой связи и фотонных квантовых компьютеров.
Результат переворачивает привычные представления. Кремний давно считается основой обычной электроники, но неудачным материалом для квантовых источников света. Новое исследование показывает, что при правильной настройке микродефектов кремний может стать платформой для будущих квантовых сетей.
T-центр это маленький дефект в кристаллической решетке кремния, состоящий из двух атомов углерода и одного атома водорода. При возбуждении он испускает один фотон — именно такой режим нужен многим квантовым технологиям. Главное преимущество: излучение попадает в телекоммуникационный O-диапазон, который уже используют волоконно-оптические линии связи. Такой источник света проще связать с существующей инфраструктурой, чем многие другие квантовые системы.
Главная проблема долго мешала практическому применению. T-центр часто терял энергию без испускания фотона — она уходила в колебания решетки вместо светового сигнала. Физики знали об этом канале потерь, но не могли точно понять механизм и надежно подавить процесс.
Команда решила проверить роль изотопов. Атом водорода в T-центре может быть обычным (протий) или более тяжелым дейтерием. Тяжелый атом меняет характер локальных колебаний внутри дефекта. Исследователи предположили, что такая замена ослабит нежелательные потери энергии.
Для эксперимента понадобились сверхчистые кристаллы кремния. Партнеры из Германии подготовили образцы высокой чистоты по технологиям проекта Avogadro, работающего с почти идеальными кремниевыми структурами. Затем исследователи создали T-центры облучением высокоэнергетическими частицами и провели аккуратную термообработку, чтобы дефекты сформировались правильно.
Команда подготовила несколько вариантов образцов. В одних оставили природный водород, где преобладает протий. В других специально добились преобладания дейтерия. Еще один набор сделали с углеродом-13 для сравнения влияния разных изотопных комбинаций.
Чтобы заметить тонкие различия между вариантами T-центров, образцы охладили ниже 4 Кельвинов жидким гелием. При такой температуре тепловые колебания сильно уменьшаются, поэтому измерения квантовых эффектов становятся точнее. Команда использовала фотолюминесцентную спектроскопию и инфракрасный Фурье-спектрометр, чтобы увидеть линии излучения разных изотопных вариантов и изучить колебательные режимы внутри дефекта.
Ключевой результат оказался впечатляющим. Замена обычного водорода на дейтерий понизила энергию колебаний связи C-H внутри T-центра. На уровне химии разница выглядит небольшой, но для квантового дефекта оказалась решающей. Более низкая энергия колебаний подавила канал потерь, в котором энергия уходила в вибрации вместо испускания фотона.
Исследователи измерили время жизни возбужденного состояния — сколько T-центр остается в активном состоянии перед испусканием фотона. Для измерений использовали импульсный резонансный лазер и однофотонные детекторы, фиксирующие время прихода фотонов. Лазер точно настраивали на конкретный изотопный вариант T-центра.
Разница между вариантами получилась огромной. У дейтерированного T-центра время жизни возбужденного состояния оказалось в 5,4 раза больше, чем у T-центра с обычным водородом. По словам авторов, полученное значение почти соответствует режиму, где безызлучательные потери почти не мешают работе. Предварительные оценки показывают, что эффективность дейтерированного T-центра может превышать 90% и в отдельных случаях подниматься выше 98%.
Авторы называют результат гигантским изотопным эффектом. Эксперимент показал, что потери энергии тесно связаны с локальными колебаниями связи C-H. Один из соавторов отметил, что стандартная модель вибрационного распада плохо описывает наблюдаемую картину, а более простая модель, учитывающая колебания связи C-H, гораздо лучше совпадает с данными и правильно объясняет сильную зависимость от изотопа.
Замена на дейтерий улучшила не только эффективность испускания фотонов, но и оптическую цикличность T-центра — число повторных возбуждений и испусканий света до сброса состояния. По оценке исследователей, дейтерированный T-центр можно «прокрутить» примерно в 300 раз больше, чем вариант с обычным водородом. Такой рост делает более реалистичным однократное считывание спина электрона и может ускорить квантовые операции в системах на базе T-центров.
Результат важен для всей области квантовых материалов. Кремниевые цветовые центры много лет уступали по вниманию дефектам в алмазе, поскольку считались менее эффективными. Новая работа дает сильный аргумент в пользу кремния и показывает, что при правильной инженерной настройке микродефектов кремний способен стать очень эффективным источником одиночных фотонов.
Дополнительный плюс связан с телекоммуникационным диапазоном. T-центры излучают в O-диапазоне, поэтому такие источники хорошо подходят для передачи квантовой информации по существующему оптоволокну на десятки километров. Для будущих квантовых сетей этот параметр особенно важен, поскольку снижает барьер между лабораторной физикой и реальной инфраструктурой связи.
Показательно, что компания Photonic Inc., участвовавшая в работе, уже начала включать дейтерированные T-центры в собственную разработку. Фундаментальный результат быстро движется к прикладной инженерии, а для квантовых технологий такой переход обычно занимает годы.
Исследователи подчеркивают, что работа не закончена. Следующий этап связан с подробным анализом колебательных мод у всех возможных изотопных вариантов T-центра. Такой набор данных поможет еще точнее понять связь между внутренними колебаниями дефекта и оптическими свойствами, а значит и дальше улучшать кремниевые источники одиночных фотонов.