Прогрес у сфері квантових обчислень та захищених систем зв'язку критично залежить від можливості створення стабільних і керованих джерел одиночних фотонів. Протягом тривалого часу основним методом калібрування таких випромінювачів залишався підбір хімічного складу або застосування зовнішніх полів, що суттєво обмежувало гнучкість архітектури систем. Дослідники з Технологічного університету Сіднея запропонували радикально новий підхід, що ґрунтується на механічній трансформації геометрії матеріалу. Маніпулюючи взаємним розташуванням атомних шарів, науковці змогли створити фактично програмоване джерело квантового світла.
Фундаментом сучасних квантових технологій є пошук ідеального випромінювача — системи, здатної генерувати фотони з суворо визначеними характеристиками. Традиційно для цих цілей використовують твердотільні системи, як-от алмази з азотно-заміщеними вакансіями (NV-центрами) або карбід кремнію. Проте ці матеріали мають жорстку тривимірну структуру, що робить їхні властивості практично незмінними після синтезу. Будь-яка спроба «підлаштувати» довжину хвилі випромінювання в таких кристалах потребує або складного хімічного легування, або застосування потужних зовнішніх полів, що значно ускладнює архітектуру кінцевого пристрою.
Перспективною альтернативою виступають двовимірні матеріали, серед яких особливий інтерес викликає гексагональний нітрид бору (hBN). Його структура нагадує стопку атомарно тонких аркушів, де кожен шар являє собою стабільну гексагональну решітку. Ключова особливість hBN полягає в наявності точкових дефектів кристалічної структури. Ці дефекти функціонують як квантові випромінювачі: вони захоплюють електрони та випускають світло, параметри якого безпосередньо залежать від локального атомного оточення.
На відміну від масивних тривимірних кристалів, шари hBN мають унікальну механічну гнучкість. Їх можна відокремлювати, переміщати і, що найважливіше, повертати один відносно одного. Саме ця особливість дозволила вченим застосувати принципи твістроніки — відносно нового розділу фізики, що досліджує зміну властивостей матеріалів при взаємному повороті їхніх шарів.
Концептуальним попередником цього методу став «магічний кут» у графені. У тому випадку поворот двох шарів графена призводив до радикальної зміни електропровідності, перетворюючи матеріал зі звичайного напівпровідника на надпровідник. Працюючи з нітридом бору, дослідники виявили схожий ефект, але вже в оптичному спектрі.
У ході експериментів багатошарові структури hBN неодноразово розбирали та збирали заново, змінюючи кут повороту шарів. З'ясувалося, що цей кут слугує свого роду «механічним регулятором»: змінюючи взаємне розташування решіток, вчені могли керувати кольором і довжиною хвилі випромінювання квантових дефектів. Спектральний зсув, досягнутий таким чином, виявився значно вираженішим, ніж той, який можна отримати при традиційному управлінні дефектами в алмазах.
З фізичної точки зору цей процес пояснюється зміною локального електронного середовища та міжшарової взаємодії. Поворот шарів модифікує енергетичний ландшафт навколо дефекту, що безпосередньо впливає на енергію оптичного переходу і, відповідно, на довжину хвилі випромінюваного фотона.
Цей прорив переводить шаруваті матеріали з розряду пасивних підкладок у категорію активних інструментів керування. Можливість буквально «підкрутити» джерело світла до потрібного режиму відкриває шлях до створення компактних, масштабованих і високоточних пристроїв для квантової криптографії та надчутливих сенсорів, де точність налаштування частоти випромінювання є критичним фактором успіху.
Квантовий колективізм у дивних металах
