Исследователи из Вашингтонского университета продемонстрировали возможность регистрировать «атомное дыхание» — механическую вибрацию между двумя слоями атомов. Они разработали устройство, которое анализирует свет, излучаемый атомами при стимуляции лазером, ми может служить новым типом строительного блока для квантовых технологий.
Ученые исследовали поведение экситонов — квантовой квазичастицы, представляющей электронное возбуждение в диэлектрике. Для этого исследователи использовали два тонких слоя атомов вольфрама и селена (диселенида вольфрама), помещенных друг на друга. Воздействуя на материал с помощью точного лазерного импульса, физики выбили электрон атома из ядра, что привело к образованию экситонной квазичастицы.
Каждый экситон состоял из отрицательно заряженного электрона на одном слое диселенида вольфрама и положительно заряженной дырки на том месте, где раньше находился электрон, на другом слое. Через короткое время, когда электрон упал обратно в дыру, которую он ранее занимал, экситон испустил один фотон, закодированный квантовой информацией, создав квантовый излучатель.
Иллюстрация «атомного дыхания» в диселениде вольфрама. Изображение: Adina Ripin et al., Nature Technology
При этом исследователи обнаружили, что атомы диселенида вольфрама также испускают другой тип квазичастиц, известный как фонон. Фононы являются продуктом атомной вибрации, похожей на дыхание. Два атомных слоя диселенида вольфрама действовали как крошечные барабанные пластины, вибрирующие относительно друг друга, и генерировали фононы.
Когда исследователи измерили спектр излучаемого света, они заметили несколько пиков, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Каждый отдельный фотон, испускаемый экситоном, был связан с одним или несколькими фононами. Это похоже на восхождение по лестнице квантовой энергии по одной ступени за раз, говорят физики: на спектре эти энергетические всплески были визуально представлены пиками, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга.
Исследователи показали, что с помощью электрического напряжения они могут изменять энергию взаимодействия связанных фононов и испускаемых фотонов. Эти вариации можно было измерить и контролировать. Инженеры полагают, что найденные свойства можно использовать для кодирования и передачи квантовой информации.
Наша главная цель — создать интегрированную систему с квантовыми излучателями, которая может использовать отдельные фотоны, проходящие через оптические схемы, и недавно открытые фононы для выполнения квантовых вычислений.
Мо Ли, профессор Вашингтонского университета и соавтор исследования
