Нанофототоника в алмазах: почему драгоценные камни используются в нанотехнологиях
Под фотоникой сегодня понимается огромное количество направлений. Как только фотоника стала политическим словом, провести границу между фотоникой и оптикой стало практически невозможно: сегодня фотоникой называется все, начиная от лазеров и кончая лампочками на швейной машинке. Но в физике, как правило, под фотоникой все-таки понимается деятельность, связанная с отдельными частицами света — с фотонами, а также с уникальными свойствами фотонных состояний. Развитие этой деятельности во многом связано с квантовой информацией и квантовыми линиями связи, то есть задачами передачи и обработки информации на отдельных частицах света с использованием их квантовых свойств.
Особое место в направлении фотоники занимает алмаз. Ювелирная чистота алмаза показывает нам, что в алмазе мало примесей, но оказывается, что алмаз чистый не только в смысле оптическом — мы видим, что в нем мало примесей, но также мало примесей и с точки зрения спинов. Спины в простейшем представлении — это мельчайшие магнитики, имеющихся в твердом теле, их ориентацию можно использовать для хранения информации.
Представьте себе, что вы хотите контролировать один спин в огромном компании других спинов, очень даже активно взаимодействующих с нужным вам спином. Разобраться в такой каше крайне сложно! И хотя даже в этой каше удается достигнуть определенного прогресса, людям удается отчасти справиться даже с такими сложными материалами, как кремний. Алмаз выгодно отличается тем, что в нем можно действительно локализовать и оптически считывать и лишь один спин, без ненужных соседей.
Объектом исследований в алмазе является так называемые центры окраски. Именно они содержат интересный исследователям спин. Центры окраски называются так потому, что они дают алмазу цвет. Самый интересный центр окраски, который любят исследователи, — это азот-вакансия, она дает красно-черный цвет алмаза. Если центров окраски очень много, алмаз становится черным, а если достаточно мало, то получается темно-красный, гранатовый цвет. Если возбудить такой центр окраски (мы обычно его возбуждаем излучением зеленого лазера), он светится в красной и инфракрасной области спектра, но инфракрасную часть спектра мы не видим. Поэтому алмаз, содержащий много таких центров, когда его освещают зеленым светом, начинает очень красиво светиться красным.
С точки зрения фотоники интересны одиночные центры окраски по простой причине - именно они способны производить одиночные фотоны, отдельные кванты света. Интересно, однако, не просто получать одиночные фотоны, но получать по запросу — получать одиночные фотоны каждый раз, когда мы хотим. Решать эту задачу призваны так называемые квантовые интерфейсы.
Но оказывается, что решить задачу интерфейса недостаточно. Допустим, одиночный фотон по запросу получен. Пусть даже каждый раз, когда мы хотим. С ним надо что-то делать. Но что именно? И как? Если смотреть на вопрос с позиция квантовой информации, то фотон нужно не просто собрать, его нужно переслать от источника к месту обработки, где его нужно принять и записать, или провести с ним какие-то операции. Тогда встает интересный вопрос: куда этот фотон отправляется, что будет приемником? Ответ: такой же центр окраски. Но в природе не бывает двух одинаковых центров окраски. К сожалению, в матрице алмаза есть напряжение, в ней есть дефекты, и поэтому два разных центра окраски всегда оказываются разными. Это неудобно. Как же строить какую-нибудь большую квантовую систему, если все центры окраски оказываются разными?
Оказывается, сама природа нам помогает, и в зависимости от того, какой центр окраски мы выберем, они будут более разными или менее разными. И в последнее время от полюбившегося нам азотного центра окраски стали переходить к другим, может быть, менее красивым по цвету их свечения, но более полезным с точки зрения квантовой информации центрам. К числу таких центров относится центр кремний- вакансия в алмазе.
Из-за особенностей своей структуры, встроенной несимметричности NV центр оказывается очень чувствительным к внешним воздействиям. С одной стороны, это хорошо, его можно использовать в качестве сенсора. С другой стороны, это плохо, потому что теперь центр окраски чувствует любой дефект вокруг –он слишком чувствителен к своему окружению. Кремниевый центр окраски гораздо симметричное азотного. И такой центр окраски оказывается нечувствительным к дефектам вокруг него.
С новым центром окраски, во-первых, можно легко найти несколько одинаковых центров, ведь поскольку они менее чувствительны к окружающему миру, вероятность того, что их частоты окажутся различны, становится меньше. Во-вторых, если NV центр крайне не любит построения структур в алмазе вокруг него — внесенные при создании структуры дефекты заметно меняют сам центр, то кремниевому центру все равно: вы внесли дефекты, а он их не чувствует. И это открывает целое новое направление, теперь действительно можно рассчитывать на то, что несколько центров будут сообщаться внутри одной сделанной в алмазе структуры. А значит, можно будет выполнять квантовые вычисления, квантовые симуляции, а может, использовать эти центры как память для квантовых линий связи. Масштабирование дает ключ ко всему. И первые шаги к такому масштабированию уже сделаны, например, группами М. Лукина из Гарвардского университета и Федора Железко из университета Штутгарта. В частности, был создан оптический аналог транзистора - устройства, способного с помощью одиночных фотонов переключать потоки фотонов или даже лазерные поля. И хотя такие устройства уже были продемонстрированы в холодных атомах, переход к твердотельным системам открывает существенные возможности для построения практических систем, а значит очень важен.
Конечно, есть и свои недостатки. К сожалению, пока все достижения с одиночными центрами кремний вакансия в целях квантовой информации получены лишь при низких, гелиевых температурах, и вопрос перехода к комнатным температурам во многом еще не решен. Есть и другие нерешенные вопросы. Поэтому сказать, что новый центр победил, пока еще нельзя. Поиск продолжается.
Все, о чем сказано выше, касалось центров окраски в монолитном алмазе. Иными словами, образцом является относительно большой алмаз, размером несколько миллиметров, который можно было бы использовать как ювелирное украшение. В нем и создаются структуры и центры окраски, которые затем пытаются использовать для задач управления отдельными фотонами и впоследствии вычислений, а также квантовых линий связи.
В уже упомянутых задачах сенсоров такой подход не всегда удобен. Как уже говорилось, NV-центр может быть с успехом использован в качестве сенсора. Часто нужно измерить какие-то величины (температуру, магнитное или электрическое поле и т.п.) с высоким разрешением, например подобного рода задачи встают в биологии. Тогда на помощь приходят наноалмазы — маленькие-маленькие алмазы, в которых есть центр окраски, с помощью которого, разговаривая с ним с помощью света, вы можете понять, что происходит, например какова температура в какой-то конкретной части клетки или активна данная часть клетки или нет. И это не только теория, сегодня центры окраски в алмазе представляют реальный инструмент исследователя. Так, группой из М. Лукина из Гарвардского университета была экспериментально продемонстрировано измерение температуры внутри клетки, а международной группой, объединяющей сотрудников МГУ, Техасского Университета А&М, Института Биоорганической Химии РАН и Российского квантового центра под руководством профессоров А. Желтиков и В. Белоусова был с помощью температурных измерений открыт новый механизм работы каналов мембраны клеток. Инструмент не просто разработан, он уже применяется!
Но где же NV-центр в самом наноалмазе? Можем ли мы сделать алмазы, в которых NV центр будет строго в центре, в каждом наноалмазе? Да еще наноалмаз поменьше, чтобы разрешение было побольше. Казалось бы, это фантастика, такого сделать никто никогда не сможет. Вырастить алмаз — это уже целое дело. Люди впервые научились получать алмазы, когда сообразили, что разница между графитом и алмазом в плотности. Алмаз более плотный, значит, нужно давление. Был придуман метод высокой температуры, высокого давления, при котором алмазы растут. Видимо, примерно таким же образом они и появились в Земле. Со временем пришло понимание, что и алмазы можно вырастить и с помощью химических реакций. Если смешать правильные газы при высокой температуре (высокое давление уже не требуется) и сделать это в правильной атмосфере, то вырастут алмазы. Можно ли сделать наноалмазы таким способом? Да, можно, размещение в нем NV-центра остается проблемой.
Оказывается, решение есть, оно посередине.
Молекула не может выдержать высокую температуру, поэтому это нужно делать при не слишком высокой температуре, но в правильной атмосфере. И скомбинировав два метода, можно растить наноалмазы маленького размера, буквально несколько нанометров — два, три, в которых ровно в середине будет нужный вам центр окраски, причем каждом их них. Нельзя сказать, что на сегодняшний день эта технология уже полностью проверена и можно продавать такие алмазы, но первые результаты есть, и они успешны. Результаты эти получены группами из Техасского Университета A&M (Ф. Хеммер) и Института Карнеги в Вашингтоне (В. Феи). Поэтому с точки зрения фотоники у нас появился новый инструмент — наноалмазы с точно известными центрами окраски в точно известном месте внутри алмаза.
