Високотемпературний мазер

Високотемпературний мазер та ще атомного розміру – таке, мабуть, не було ні в одному прогнозному списку досягнень майбутнього. Однак, як виявилося, природа приготувала і таке. Команда фізиків з ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН (Санкт-Петербург) з колегами, спочатку Leiden Univ. (Нідерланди) [1], а потім з дослідниками з Univ. of Würzburg (Німеччина) [2] зробила серйозний прорив у фізиці квантових об’єктів і різко розширила коло їх можливих застосувань.

Кванти існують незалежно від нашого знання про них. А ось прилади, які безпосередньо використовують квантові властивості, самі не з’являються. Для їх створення потрібно дуже багато, не в останню чергу – об’єкт, закономірності поведінки якого ми знаємо і яким можемо управляти. Щось вдається і стає тривіальним – наприклад, лазерні указки. Але багато чого з задуманого (наприклад, квантовий комп’ютер) поки недоступно, саме в силу відсутності об’єкта, що реалізує необхідні якості.

Вимоги до кандидатів на висуванці” прості і майже людські: об’єкт-кандидат повинен бути одночасно в міру незалежний (ізольований від шкідливих впливів), але в той же час надійно керованим. Спочатку звернулися до атомів, але з-за звички до неконтрольованих рухів їх доводилося сильно охолоджувати, так і установки були громіздкі. Поступово знаходилися нові відповідні об’єкти, трохи менш екзотичні, ніж колишні. Спочатку перейшли до квантових точках, благо фізика цих об’єктів переживала розквіт, але поступово лідерство перейшло до парного дефекту азот-вакансія (NV) в алмазі, і це був ще один крок до використання нерукотворних (а значить – і надійних) цеглинок квантового будівництва.

Тепер же (повернемося до початку) знайшовся об’єкт, на якому можна реалізувати і мазер, і однофотонний джерело світла, і квантовий кубіт – і, треба думати, ще багато чого.

Таким об’єктом виявилася кремнієва вакансія у карбіду кремнію. Важливі для приладових застосувань енергетичні рівні цього центру лежать в області прозорості кристала, і, отже, до них можна адресуватися безпосередньо, минаючи інші підсистеми кристалу. Основні ізотопи кремнію і вуглецю – четны, тому ядра цих атомів не мають спина і, відповідно, не руйнують спінові стани електронної підсистеми центру, завдяки чому вони мають аномально великі часи когерентності. Нагадаємо, що саме короткі часи когерентності є основною причиною головного болю для апологетів спінтроніки, а тут – без всякої нанотехнології, практично готовий кубіт, та ще просто в напівпровідниковому кристалі, технологія якого відпрацьована десятиліттями.

Мало того. Виявилося, природа розпорядилася так, що в процесі рекомбінації фотовозбужденных носіїв переважно заселяється верхній спиновый підрівень (3/2) метастабільного стану. І досить слабкою засвічення при кімнатній температурі (!), щоб отримати когерентне мікрохвильове випромінювання, частота якого керується магнітним полем. Ситуація, вдала до неправдоподобия.

Примітно, що носієм згаданих чудових особливостей є вакансія – тобто відсутність атома кремнію на своєму місці в кристалічній решітці SiC. І, хоча з подібними “квазиобъектами” фізика твердого тіла має справу мало не з народження (згадаймо напівпровідники p-типу), з’ясування того, що криється за відсутнім атомом кремнію вимагало майже десятиліття робіт і досить специфічною експериментальної техніки – оптично детектованого магнітного резонансу (ODMR).

Подробиці можна знайти в першоджерелах та в міні-огляді [3]. Там же знайдуться додаткові посилання.

 

1. P. G. Baranov et al., Phys. Rev. B 83, 125203 (2011).

2. D. Riedel et al., Phys. Rev. Lett. 109, 226402 (2012).

3. I. Aharonovich, M. Toth, Nature Phys. 10, 93 (2014).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *