Задание для одинокого фотона. Физики готовят подарок для криптографов.

— Однофотонную эмиссию можно возбудить, например, лазерным излучением — воздействуя на электронные переходы одиночных атомов, ионов, молекул, квантовых точек в полупроводниках, на точечные дефекты в алмазе. Тема эта насколько важна, что эксперименты с отдельными ионами и нейтральными атомами, взаимодействующими с одиночными фотонами, были отмечены Нобелевской премией по физике 2012 года. 

Казалось бы, разбери классический (многофотонный) источник на составляющие — и проблема с созданием однофотонных эмиттеров решена. Но не все так просто. Идеальным источником одиночного фотона служит атом с его электронными переходами. Один атом. Но как его “взять в руки и приготовить к работе”?

— Воздействуя на электрон атома определенным образом, можно перевести его в возбужденное состояние. В основное состояние он вернется с испусканием фотона. В этом процессе участвует один электрон, поэтому одновременно два фотона излучиться не могут. Для того чтобы излучить второй фотон, электрону надо снова возбудиться под внешним воздействием. Вот потому идеальным источником одиночного фотона можно считать атом.

— Атом или ион, конечно же, берут не в руки, а в специальные высоковакуумные “ловушки” при сверхнизких температурах. Это очень дорогостоящая технология. 

Мы развиваем новые подходы, в основе которых — использование твердотельных источников света в качестве эмиттеров одиночных фотонов. В частности, работаем с алмазными кристаллами, содержащими люминесцирующие примесные центры. Один такой центр, например атом азота или кремния в паре с вакантным узлом кристаллической решетки, фактически представляет собой квазиатом, излучающий одиночные фотоны под действием лазерного возбуждения. Он эффективно излучает в нормальных условиях при комнатной температуре, отпадает необходимость в высоком вакууме и сверхнизких температурах.

“Изюминка” нашего проекта в том, что одиночные люминесцирующие центры создаются в алмазных нанокристаллах высокого структурного качества. 

Для практического использования нашего источника одиночных фотонов недостаточно иметь лишь кристалл алмаза с одним излучающим центром. Нужно еще сделать его излучение направленным, интенсивным: чем больше фотонов излучается в единицу времени, тем эффективнее источник одиночных фотонов — тем больше защищенной информации он позволит передать в единицу времени, тем более быстрый квантовый регистр можно сконструировать на его основе.

— Именно! Возникает необходимость встраивания такого источника в различного рода микрорезонаторы. Очевидно, что с большим кристаллом алмаза это сделать значительно сложнее, чем с наноалмазом. Потому-то в перечень работ в рамках гранта был включен как основная задача и синтез таких наноалмазов высокого структурного качества с заданным содержанием люминесцирующих центров. 

— Высокого структурного качества с заданным содержанием люминесцирующих центров — нет. Получают наноалмазы, например, механическим помолом микронных кристаллов. Такие нанокристаллы достаточно дефектны, распределение люминесцирующих центров — случайное. Еще получают наноалмаз размером 5 нанометров взрывным методом. 

— Из смеси тротила и гексогена, которая содержит углерод, азот и водород, во время взрыва — при больших температурах и давлениях — получаются пятинанометровые алмазики. Но! Они не светятся. Очевидно, азот в детонационных алмазах образует оптически неактивные центры.

Мы поставили перед собой задачу научиться синтезировать наноалмазы различных размеров и контролируемо создавать люминесцирующие центры в них. Сразу возникло множество вопросов.

Например, если уменьшить алмаз до считаных нанометров, когда в алмазной решетке останется несколько сотен атомов, то можно ли в нем создать светящийся центр и будет ли он в таком маленьком алмазе вообще светиться?

— Человек пока не может синтезировать алмазы предельно малых размеров, скажем 1-2 нанометра. Мы решили обратиться за помощью к природе. Выручил космос, откуда время от времени на Землю прилетают метеориты. Внимательно проанализировали размеры и люминесценцию отдельных наноалмазов, экстрагированных из каменных метеоритов. Оказалось, что космический алмазик, размером полтора нанометра в диаметре, может содержать один или несколько люминесцирующих центров, состоящих из примесного атома кремния и вакансии.

Это было сюрпризом для всех, потому что теоретики предсказывали, что примесные центры не будут встраиваться в алмазы размером менее 5 нанометров, так как им это энергетически невыгодно. 

— Светящиеся центры возможно синтезировать в алмазах любой величины, вплоть до 1,5 нанометра. Но мы обнаружили, что при таком размере наноалмаза свечение начинает мерцать. Для однофотонных эмиттеров это плохо. Решили, что виной всему близкое расположение (0,75 нанометра) светящегося центра к поверхности алмаза.

Поставили новую задачу: установить размеры алмазных кристалликов, при которых люминесцирующие центры в них перестают “чувствовать” поверхность, вызывающую тушение люминесценции. Для этого мы доращивали методом CVD (chemical vapor deposition — химическое парофазное осаждение) алмазные слои различной толщины на поверхности алмазных нанокристаллов, содержащих светящиеся азотные центры. Установили, что азотные центры в них будут стабильно светиться на расстоянии 12 нанометров от поверхности, то есть в 25-30-нанометровой частице. 

— Научные исследования — это всегда коллективная работа. Привлекли в проект ведущего научного сотрудника Евгения Екимова из Института физики высоких давлений им. Л.Ф.Верещагина РАН (Троицк). Он крупный специалист в синтезе алмазов. С его помощью мы получаем наноалмазы из органических соединений. Недавно создали наноалмазы размером 7 нанометров очень высокого структурного качества. До сих пор никому в мире этого не удавалось.

— 30 нанометров — это для азотных центров. А есть примесные центры из кремния — тоже эффективно светятся. Кремниевый центр перестает “чувствовать” поверхность в 8-нанометровой частичке, азот — в 30-нанометровой. 

— Нет, конечно. Мы давно наладили контакты с двумя ведущими группами из Германии, которыми руководят профессора Йорг Врахтруп и Федор Железко. Вместе занимаемся исследованиями люминесцентных свойств различных центров в алмазе. Хотя основными участниками проекта являются две лаборатории нашего института: углеродной нанофотоники и алмазных материалов (заведующий — Виктор Ральченко) ИОФ РАН. Лаборатория алмазных материалов синтезирует эмиттеры одиночных фотонов осаждением из газовой фазы. 

— Основных два: метод CVD и метод НРНТ-синтеза (НРНТ — High Pressure High Temperature).

— Одиннадцать человек, в основном молодежь — аспиранты и студенты.

— Безусловно. Мы будем подавать на продление. Это наше основное направление исследований на ближайшие годы. Мы всегда думаем о том, что будет завтра. Сейчас получили качественные люминесцирующие наноалмазы, к концу года завершим создание микрорезонатора, который позволит нам оценить возможность увеличения эффективности испускания фотонов нашими алмазами.

Коллеги за рубежом уже прослышали о том, что мы создаем люминесцирующие наноалмазы, и к нам активно обращаются с предложениями по встраиванию их в различные типы резонаторов. Так, у нас запланированы работы с резонатором Фабри-Перо (классический резонатор: между двумя параллельными зеркалами гуляет свет и формируется резонансная стоячая оптическая волна), а исследовательские группы из Англии и Испании уже предлагают усиливать люминесценцию наших наноалмазов с помощью плазмонных наноантенн. Почему бы не попробовать! Но основная активность нашей лаборатории связана с разработкой люминесцирующих наноалмазов, которая разветвляется на многие направления. 

Мы также участвуем в европейском проекте (при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований) по люминесцирующим наноалмазам для биомедицины. Ведь их можно применять как маркеры и сенсоры…

— Работается весьма комфортно! У меня был проект с Минобрнауки — там мы просто погрязли в бумагах. В Российском научном фонде, на мой взгляд, оптимальный подход к отчетности. А 5 миллионов рублей в год — значительные средства. Именно с помощью гранта РНФ была собрана установка для реализации наших идей. 

— Применение наших разработок возможно в двух перспективных направлениях: квантовая криптография и квантовые компьютеры.

В квантовой криптографии информация передается с использованием квантовых объектов, в нашем случае одиночных фотонов по линиям волоконно-оптической связи. Здесь ее защита основана на принципе неопределенности Гейзенберга: невозможно измерить один параметр квантового объекта, не исказив другой. 

Второй вариант практического использования наших разработок — создание квантовых регистров для квантовых компьютеров. Излучение одиночного фотона — это тот же квантовый бит информации.

— Один точно назову. В конце 1980-х, пока работал над кандидатской диссертацией, мы создали новый тип атомно-ионизационного спектрометра. Его поставили в опытное производство. Но, на мой взгляд, академические ученые не должны заниматься внедрением своих разработок, для этого нужны люди с другим складом ума и характера.

Очевидно, сегодня уровень наших результатов еще не достиг уровня внедрения: пока нет готового продукта. Мы разрабатываем новый перспективный материал — эффективно люминесцирующие наноалмазы. Далее на их основе будут проектировать и создавать квантово-оптические регистры наши коллеги из Физико-технологического института РАН. Наноалмазные источники одиночных фотонов станут интегрировать в волоконно-оптические линии связи ведущие специалисты по квантовой криптографии, работающие на физическом факультете МГУ.

— Азарт открытия. Пытаюсь понять суть явления. А когда ты начинаешь понимать, что там происходит, это приносит удовлетворение, в организме вырабатывается эндорфин (гормон счастья), без которого ученый жить уже не может. Все, человек “пропал”, кроме науки его уже ничего в жизни не интересует…