Нанофотоника в алмазах

И здесь алмаз занимает особенное место по той простой причине, что алмаз, с одной стороны, очень прозрачный материал, хорошо распространяется свет, с другой стороны, это материал очень чистый, за что мы его и любим в ювелирном деле. И чистый не только в смысле оптическом — мы видим, что в нем мало примесей, но мало примесей и с точки зрения элементарных частиц, с точки зрения спинов. Потому что у некоторых материалов, таких как кремний, есть большое количество изотопов с точки зрения отдельных спинов, отдельных мельчайших магнитиков, имеющихся в твердом теле. Все это похоже на кашу. То есть у вас есть огромное число спинов, и вы не можете адресовать один из них, вы все время должны работать с кашей, с большим-большим полем.

Есть прогресс в этой области, люди учатся делать даже это, но алмаз гораздо интересней, поскольку в нем вы можете действительно локализовать один спин на довольно большом с точки зрения оптики пространстве. То есть по сравнению с длиной волны вы можете выбрать один спин. На самом деле мы работаем не с самой матрицей алмаза, а с центрами окраски алмаза. Центры окраски — они так называются потому, что они дают алмазу цвет. Самый интересный центр окраски, который все очень любят, — это азот-вакансия, которая дает красно-черный цвет алмаза. Если его очень много, алмаз становится черным, а если достаточно мало, то получается такой темно-красный цвет. Это частично говорит о том, какую длину волны излучения вы увидите с этого центра окраски. Если вы его возбуждаете (мы обычно его возбуждаем зеленым лазером), он светится красным цветом, почти инфракрасным. Поэтому алмаз, содержащий много таких центров, освещенный зеленым светом, начинает светиться красненьким цветом, очень красивым.

Чаще всего нам интересны одиночные центры окраски по той простой причине, что мы занимаемся фотоникой, а значит, мы хотим получать с него одиночные фотоны. Но наша задача — это не просто получать с него одиночные фотоны, но получать одиночные фотоны каждый раз, когда мы хотим. И с этим связана задача квантовых интерфейсов. Другая активность связана с резонаторами и разного рода материалами, которые нацелены на то, чтобы научиться с одного спина получать отдельный фотон. Но оказывается, что этого мало. Вы можете построить систему, очень интересную, которая будет получать в конечном итоге с отдельного спина отдельный фотон, но надо еще уметь что-то с ним делать. И тогда встает вопрос: а что? Если вы хотите делать квантовую информацию, то вы хотите не просто послать этот фотон куда-нибудь, неизвестно куда, а вы хотите потом его принять и записать, сделать какую-то операцию и так далее. Тогда встает интересный вопрос: куда, 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 квантово-механическую 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 кремниевая вакансия в алмазе. Ее особенность заключается в том, что, в отличие от азотной вакансии, которая, по сути, очень похожа на молекулу, вместо одного из атомов водорода сидит атом азота, вместо другого атома водорода — пустое место. Пустое место, конечно, трудно назвать чем-то существенным, но дело в том, что в этом пустом месте имеются электроны, которые остались от атомов углерода, не сумевших связаться с пустующим местом. Каждый из них дает один электрон для связи, которая не была осуществлена. Поэтому на самом деле вакансия является сборищем электронов. То есть получается отрицательный заряд, азот работает как положительный заряд, получается молекула, причем полярная: с одной стороны плюс, с другой стороны минус. Это приводит к тому, что у такой молекулы есть дипольный момент, от плюса к минусу.

С одной стороны, это хорошо, потому что вы можете использовать в качестве сенсора, именно на этом основано измерение магнитного поля с помощью токового маятника. С другой стороны, это плохо, потому что теперь этот момент чувствует любой дефект вокруг. И то же самое, что позволяет использовать его с помощью сенсора, мешает нам использовать его для квантовой информации, потому что его сдвинет буквально все что угодно. Кремниевый центр — он другой. Кремний слишком большой атом, он не может поместиться на место углерода, он просто физически большой. Поэтому ему тоже нужна вакансия рядом, но не для того, чтобы разместить там электрон, а для того, чтобы самому сместиться посередине между двумя дырками. Он большой, он не влезает. Но это приводит к тому, что структура становится более симметричной. Соответственно, дипольного момента уже в среднем не возникает. И такой атом или такой центр окраски оказывается нечувствительным к дефектам.

И теперь, во-первых, вы можете легко найти несколько одинаковых центров. Потому что они менее чувствительны к окружающему миру, вероятность того, что они сместятся, становится меньше. Это уже открывает возможность строить что-то масштабируемое. С другой стороны, для того чтобы сделать какой-то интерфейс с этим центром, для того чтобы действительно научиться с вероятностью, близкой к 100%, разговаривать с таким центром, нужно что-то сделать. Нужно построить какие-то структуры, и интересно было бы строить их прямо в алмазе, потому что, если вы строите их прямо в алмазе, у вас алмаз, вы в нем построили какую-то микросхему и делаете в ней все операции, не выводите все это во внешний мир, какие-то волокна, сложные системы. Но с точки зрения какого-нибудь инви-центра, если вы пытаетесь что-то сделать с алмазом, вы вносите дефекты, и ваш центр начинает звучать на совсем другой длине волны, все центры перестают разговаривать друг с другом.

С точки зрения кремниевого центра вы действительно можете сделать структуры, ему все равно: вы внесли дефекты, а он их не чувствует. И это открывает целое новое направление, потому что теперь действительно можно сделать структуру внутри алмаза и действительно рассчитывать на то, что несколько центров будут разговаривать внутри одной структуры. И собственно говоря, на них можно делать, может быть, какие-то квантовые вычисления, может быть, квантовые симуляции, а может быть, использовать их как память для квантовых линий связи, но это уже, действительно, какая-то такая масштабируемая структура.

Конечно, есть и свои недостатки. К сожалению, центры окраски работают как одиночные спины только при низких температурах. То есть приходится работать при гелиевых температурах, и вопрос перехода к комнатным температурам во многом еще не решен. В отличие от инви-центра, на котором была продемонстрирована квантовая память при комнатной температуре и даже довольно большое время — 2 секунды, для кремниевых центров окраски такой памяти нет. Поэтому что-то можно сделать только при очень низких температурах, но и, к сожалению, даже при низких температурах время когерентности (то время, за которое квантовое состояние спина разрушается) оказывается маленьким, оно лежит в наносекундном диапазоне, и вопрос увеличения этого времени — это достаточно открытый вопрос настоящего времени. Поэтому сказать, что новый центр победил, пока еще нельзя. Поиск продолжается. Появляются новые центры окраски.

По аналогии с кремниевым центром в последнее время стал интересен германиевый центр — он тоже в таблице Менделеева, просто одной строкой ниже, точно такой же. Сразу вспоминается замечательный фильм «Эволюция», в котором яд для пришельцев нашли по таблице Менделеева, по аналогии с тем, что яд для нас. А здесь логика была очень близкая. Посмотрели в таблицу Менделеева — такой же атом, чуть потяжелее, чуть побольше, должно быть все то же самое. Пока мы еще не знаем, действительно ли то же самое или нет и будет ли новый атом каким-то решением, будет ли у него более длинное время когерентности, но большое внимание он уже привлек, и люди очень активно занимаются его изучением, в том числе и моя группа. Это что-то новое, что, мы надеемся, поможет нам в разрешении вопросов квантовой информации и фотоники на центрах окраски в алмазе.

Все, о чем я сейчас говорил, было центрами окраски в монолитном алмазе. То есть мы берем большой алмаз, который можно было бы использовать как ювелирное украшение, и начинаем строить в нем какие-то структуры, дефекты и пытаться использовать для задач управления отдельными фотонами и впоследствии вычислений квантовых линий связи. Но есть и другие задачи, тоже связанные с отдельными фотонами. Иногда хочется сделать какие-то измерения в клетках, нам хочется померить температуру, или магнитное поле, или электрическое поле и сделать это с очень высоким разрешением. 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 там происходит, например какая там температура.

Пока самым лучшим центром с этой точки зрения является инви-центр. Он самый исследованный и является как раз хорошим сенсором. Но вот проблема: он не живет в маленьких наноалмазах. Все наиболее маленькие наноалмазы, в которых он живет, порядка 10 нанометров. Иногда этого достаточно, а иногда хочется чего-то поменьше. Более того, мы же не знаем, где он расположен в этом наноалмазе. Если мы, например, получили наноалмаз путем разрушения более крупного алмаза, то кто ж его знает, где там получился центр окраски. Может быть, на поверхности, может быть, в середине. От этого будут зависеть его свойства, его чувствительность к окружающему миру. Поэтому, конечно, было бы интересно делать наноалмазы, в которых строго в середине сидит центр окраски, и размер какой-нибудь маленький.

Казалось бы, это фантастика, такого сделать никто никогда не сможет. Вырастить-то алмаз — это 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, по такому методу они более-менее на Земле и выросли. Но этот метод очень сложный. То есть вам нужны огромные давления, для которых нужны машины размером с обычную комнату, в итоге в очень небольшом объеме сжимающие органический материал при большом нагреве либо лазером, либо электрическим током, получающие алмазы.

Но потом люди сообразили, что химия — это все-таки великая наука и алмазы можно растить 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. Оказывается, что это как бы самый дешевый, наверное, на сегодняшний день способ получения алмазов. Крупные корпорации борются, точнее говоря, покупают по возможности все такие компании, чтобы не растили слишком много дешевых алмазов. Но тем не менее метод есть, и вопрос, можно ли сделать наноалмазы таким способом. Можно, но нельзя поместить в инви-центр. Как же это сделать? Оказывается, решение есть, оно посередине, как всегда.

Оказывается, можно растить алмазы действительно из химических молекул, которые по форме напоминают алмаз и содержат нужный вам атом, например азот, и делать это под высоким давлением. Молекула не может выдержать высокую температуру, поэтому при низкой температуре, но в правильной атмосфере. И оказывается, скомбинировав два метода, можно растить наноалмазы маленького размера, буквально несколько нанометров — два, три, в которых ровно в середине будет нужный вам центр окраски. Нельзя сказать, что на сегодняшний день эта технология уже полностью проверена и можно продавать такие алмазы, но первые результаты есть, и они успешны. Действительно, этот метод работает. Поэтому с точки зрения фотоники у нас появился новый инструмент — наноалмазы с точно известными центрами окраски в точно известном месте внутри алмаза.

Если вы хотите узнать больше о квантовой оптике, записывайтесь на субботний интенсив Алексея Акимова «Искусственные атомы и их приложения», который состоится 20 августа в Академии ПостНауки.