В ходе нового исследования ученые показали, что простая замена одного типа атомов водорода на чуть более тяжелую версию внутри кремния может значительно улучшить его способность генерировать одиночные фотоны.
Исследование ставит под сомнение устоявшееся мнение о том, что кремний — неэффективный материал для квантовых источников света. Ученые показали, что кремний, который стал основой современной электроники, может стать основой квантовых сетей.
В основе этого открытия лежит крошечный дефект в кремнии, известный как T-центр — это дефекты или неоднородности кристаллической структуры кремния, характеризующиеся иным расположением атомов.
Т-центр способен долго хранить квантовое состояние и излучает свет в телекоммуникационном диапазоне — том, что используется в оптоволоконных сетях. Однако у него есть серьёзный недостаток: в его состав входит водород, который легко перемещается внутри кристалла и делает структуру нестабильной при массовом производстве. Т-центр иногда теряет энергию, не излучая свет. Вместо того чтобы испускать фотон, он рассеивает энергию в виде вибраций — этот процесс называется безызлучательным распадом.
Исследователи из Университета Саймона Фрейзера, компании Photonic Inc. и Научно-исследовательской лаборатории ВМС США показали, что использование более тяжёлых изотопов водорода в T-центрах может увеличить время, в течение которого система остаётся заряженной до испускания света, что, в свою очередь, повышает эффективность генерации одиночных фотонов в T-центрах. Протий и дейтерий — это разные версии (то есть изотопы) водорода с разным количеством нейтронов в ядре. Поскольку эти два изотопа имеют разную массу, они могут вызывать немного отличающиеся оптические переходы в дефектах кремния, таких как T-центр.
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть путь к созданию более ярких и надёжных источников одиночных фотонов, что будет способствовать развитию квантовых технологий.
Исследователи обнаружили, что время жизни дейтериевого Т-центра примерно соответствует ожидаемому времени жизни при отсутствии безызлучательного распада. Это говорит о том, что данный цветной центр является очень эффективным излучателем.
Это открытие может стать отправной точкой для будущих разработок квантовых технологий на основе T-центров, таких как квантовые накопители и преобразователи, а также для сопряжения квантовых процессоров на основе T-центров.