Физики создали первый квантовый материал комнатной температуры для управления поведением света

Человечество научилось управлять почти всеми базовыми свойствами света. Мы умеем разделять его по цветам с помощью простых стеклянных призм, изменять направление световых лучей линзами и блокировать световые колебания определенного направления поляризационными фильтрами. Все эти технологии работают с индивидуальными характеристиками световой волны.

Однако у света есть еще одно фундаментальное свойство, которое долгое время оставалось недосягаемым для прямого контроля. Это его квантовая статистика — то, как именно отдельные световые частицы (фотоны) распределены в пространстве и времени относительно друг друга.

До недавнего времени считалось, что создать пассивный фильтр, способный разделять или изменять свет на основе его статистического состояния, физически невозможно. Для этого требовалось бы полностью уловить и измерить каждый фотон, что неизбежно разрушает само световое поле.

Группа физиков из Университета штата Луизиана совершила прорыв в этой области. Исследователи создали искусственный материал — квантово-статистический плазмонный метакристалл. Это устройство способно избирательно пропускать или целенаправленно перестраивать световые поля в зависимости от степени их упорядоченности, причем делает это при обычной комнатной температуре.

Что такое статистика света и почему ее трудно измерить

Чтобы понять суть открытия, необходимо разделить свет на типы не по цвету или яркости, а по степени согласованности его волн. В физике это свойство называют когерентностью. Она определяет, насколько предсказуемо ведут себя фотоны в световом потоке.

Существует три основных типа световых полей:

1. Когерентный свет. Типичный пример — лазерный луч. В таком потоке все фотоны колеблются строго синхронно. Они распределены во времени максимально равномерно и предсказуемо.
2. Тепловой свет. Это излучение обычных ламп накаливания, пламени или звезд, включая наше Солнце. Этот свет хаотичен. Фотоны в нем вылетают случайными группами, образуя постоянные хаотические флуктуации интенсивности.
3. Супертепловой свет. Особое состояние светового поля, в котором хаотичность и склонность фотонов собираться в плотные группы выражены еще сильнее, чем в обычном тепловом излучении.

Физическая шкала упорядоченности светового излучения строится следующим образом: значение коэффициента когерентности, равное 1.0, соответствует абсолютному порядку (когерентное лазерное излучение); значение 2.0 указывает на умеренную разупорядоченность (естественный тепловой свет Солнца или ламп накаливания); показатели от 2.0 до 3.0 и выше характеризуют нарастающий хаос, переходящий в категорию супертеплового излучения.

Для количественной оценки этого хаоса физики используют математический параметр — степень когерентности второго порядка, которая обозначается как g2(0). У лазерного света этот показатель строго равен единице. У теплового света он равен двум. У супертеплового света этот коэффициент может достигать трех.

Сложность заключается в том, что когерентность — это не индивидуальное свойство одного фотона. Это коллективная характеристика группы частиц. Один фотон не может быть «хаотичным» или «упорядоченным». Эти свойства проявляются только тогда, когда мы анализируем поток из множества частиц.

По этой причине обычные оптические материалы не способны реагировать на когерентность. Они взаимодействуют с энергией или поляризацией отдельных фотонов, но «не видят» общую структуру их распределения.

Парадокс измерения: почему квантовые фильтры не создавали раньше

До публикации работы американских физиков единственным способом определить статистику светового поля было его прямое измерение. Для этого световой поток направляли на детекторы с разрешением по числу фотонов. Детекторы фиксировали моменты прихода каждой частицы, после чего компьютерная система вычисляла корреляцию между этими событиями.

Этот метод имеет два фундаментальных ограничения:

• Разрушение состояния. Физический процесс измерения поглощает фотоны. Свет превращается в электрический сигнал и перестает существовать как оптическое поле. Использовать такое излучение дальше в технологических целях невозможно.
• Сложность инфраструктуры. Системы счета фотонов громоздки, требуют высокоточных электронных компонентов и часто нуждаются в глубоком охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать тепловой шум.

Физикам требовалось создать пассивную среду — материал, который пропускал бы свет сквозь себя и одновременно перестраивал его статистику без внешнего вмешательства со стороны измерительных приборов. Но как заставить материал реагировать на коллективное поведение фотонов, если сами по себе они практически не взаимодействуют друг с другом в вакууме или обычном стекле?

Конструкция метакристалла: как заставить фотоны общаться

Для решения этой задачи авторы исследования использовали явление металлической плазмоники. Они создали среду, в которой фотоны временно преобразуются в другие физические объекты, способные активно взаимодействовать друг с другом.

В поперечном разрезе структура разработанного оптического элемента представляет собой трехслойную наносистему:

1. Основа. Сверхгладкая пластина из специального тонкого стекла толщиной 175 микрометров.
2. Проводящий слой. Пленка химически чистого золота толщиной 110 нанометров. Шероховатость этой пленки не превышает половины нанометра, что критически важно для предотвращения случайного рассеяния света.
3. Метаатомы (наноантенны). Массив из 100 прямоугольных наноструктур размером 200 на 400 нанометров каждая. Эти элементы вырезаны непосредственно в золотом слое с помощью сфокусированного пучка ионов галлия. Расстояние между соседними антеннами составляет ровно 1 микрометр.

Когда на эту структуру направляют световой поток, физический процесс происходит в три этапа:

• Преобразование в плазмоны. Падающий свет падает на специальную входную решетку и возбуждает поверхностные плазмон-поляритоны. Это волны колебаний свободных электронов, которые движутся строго по поверхности золотой пленки. Плазмоны ведут себя так же, как световые волны, но они ограничены двухмерной плоскостью металла.
• Взаимное наложение (интерференция). Ограниченные на плоскости плазмонные волны начинают активно взаимодействовать друг с другом и с наноантеннами. Поскольку расстояние между антеннами жестко фиксировано, волны накладываются друг на друга строго определенным образом. Наноантенны начинают работать как единая резонансная система.
• Обратное излучение. Пройдя через массив наноантенн, плазмоны снова превращаются в обычные фотоны и покидают поверхность кристалла в виде свободного светового луча.

Благодаря этому переходу из трехмерного пространства в двухмерную плазмонную среду, ученым удалось заставить световые волны эффективно взаимодействовать друг с другом через электронную систему золота.

Разрешенные и запрещенные статистические зоны

Главное открытие исследователей заключается в том, что созданный метакристалл обладает избирательной пропускной способностью, настроенной не на цвет света, а на его когерентность. В структуре материала возникают так называемые квантово-статистические зоны — разрешенные и запрещенные интервалы для параметра g2(0).

Работу квантово-статистического фильтра можно описать на конкретных примерах. Если на метакристалл направляют свет с запрещенным уровнем когерентности g2 = 2.15, система трансформирует его внутреннюю структуру, и на выходе регистрируется стабильное разрешенное состояние с показателем 2.58. Если же на вход подается изначально разрешенный тепловой свет с показателем 2.00, он проходит сквозь структуру без изменений, полностью сохраняя свои исходные статистические свойства.

Если в метакристалл поступает световой поток, степень хаотичности которого находится в пределах разрешенной зоны, плазмонные волны проходят сквозь решетку наноантенн без изменения своей структуры. Свет выходит из кристалла в своем первоначальном состоянии. В экспериментах такими разрешенными состояниями оказались лазерный свет (g2 = 1) и тепловой свет (g2 = 2).

Если же статистика светового поля попадает в запрещенную зону, структура наноантенн начинает подавлять эти конкретные флуктуации интенсивности. Кристалл не может просто заблокировать часть фотонов, так как они распределены случайно. Вместо этого за счет интерференции плазмонов происходит перераспределение энергии между частицами. Этот процесс называется квантовой термализацией.

В результате световое поле принудительно меняет свою статистику, сдвигаясь к ближайшему доступному разрешенному уровню:

• Световое поле с запрещенным уровнем хаоса g2 = 2.15 после прохождения кристалла трансформировалось в разрешенное состояние с показателем 2.58.
• Световое поле с запрещенным уровнем хаоса g2 = 1.25 перестраивалось до разрешенного значения 1.50.

Физические параметры этих зон (их ширина и расположение) не являются случайными. Ученые доказали, что их можно математически рассчитывать и программировать при создании материала. Предельные значения когерентности задаются геометрическими размерами индивидуальных наноантенн, а ширина запрещенных зон регулируется их количеством и углом наклона относительно друг друга.

Комнатная температура как технологический стандарт

Большинство современных квантовых устройств — от сверхпроводящих процессоров до полупроводниковых источников одиночных фотонов — требуют для своей работы экстремального охлаждения. Температура внутри таких установок поддерживается на уровне нескольких милликельвинов, что значительно холоднее космического пространства. Это необходимо для того, чтобы тепловое движение атомов окружающего вещества не разрушало сверхчувствительные квантовые связи.

Плазмонный метакристалл из Луизианы стабильно работает при обычной комнатной температуре. Это стало возможным благодаря двум факторам:

• Высокая энергия плазмонов. Колебания электронов в золоте, индуцированные лазерным излучением с длиной волны 780 нанометров, обладают энергией, которая на несколько порядков превышает энергию естественного теплового шума при комнатной температуре.
• Геометрическая стабильность. Свойства зонной структуры метакристалла определяются физическим расположением золотых антенн на подложке. Погрешности изготовления нанорешетки составляют менее одного нанометра, что исключает температурный дрейф параметров в стандартных условиях эксплуатации.

Возможность работы без громоздких криогенных систем делает эту технологию пригодной для интеграции в стандартные оптоэлектронные чипы и потребительские устройства.

Перспективы применения в энергетике и связи

Возможность избирательно изменять и защищать статистические свойства световых полей открывает практические перспективы в нескольких технологических областях.

Оптимизация поглощения солнечной энергии

Солнечный свет представляет собой частично когерентное излучение с хаотической статистикой. Когда эти волны проникают в активные слои кремниевых солнечных батарей, сложная полупроводниковая структура вызывает интерференционные эффекты. В неупорядоченной кремниевой среде частично когерентный свет имеет тенденцию к пространственной локализации — он застревает в виде локальных зон высокой интенсивности.

Эта локализация снижает общую эффективность преобразования света в электричество, так как избыточная энергия в зонах локализации просто нагревает материал, ускоряя износ панелей и снижая их КПД. Используя плазмонные метакристаллы в качестве защитного покрытия для фотоэлементов, инженеры могут изменять статистический профиль солнечного света непосредственно на входе в панель. Устранение нежелательной когерентности позволяет свету глубже и равномернее проникать в полупроводник, снижая тепловые потери.

Защищенная передача данных в квантовых сетях

В квантовых информационных системах для кодирования данных часто применяются так называемые состояния Фока — световые импульсы, содержащие строго определенное количество фотонов. Эти состояния чрезвычайно хрупки: при прохождении через стандартные оптические среды из-за естественных потерь и рассеяния количество фотонов начинает флуктуировать, и квантовая информация теряется.

Разрешенные квантово-статистические зоны метакристалла могут выполнять функцию своеобразных защитных коридоров для передачи информации. Если параметры квантового состояния данных настроены на разрешенную зону кристалла, световые импульсы способны проходить через материал без изменения своей внутренней структуры. Даже несмотря на неизбежные энергетические потери в металлическом слое золота, сама статистическая взаимосвязь между фотонами остается неизменной, что позволяет транслировать квантовую информацию на большие расстояния без декогеренции.

Новый этап управления светом

Разработка плазмонных метакристаллов переводит оптические технологии на новый уровень. Ранее инженеры манипулировали внешними физическими параметрами световой волны. С появлением квантово-статистических материалов физики получили инструмент для прямого программирования вероятностного поведения фотонных систем.

Значимость этой работы заключается в том, что ученые доказали: статистику светового поля можно менять пассивно, в реальном времени, используя только геометрические свойства самого материала. Настройка квантового поведения частиц за счет изменения формы и взаимного расположения наноразмерных элементов золотой решетки открывает путь к созданию принципиально новых оптических устройств, работающих на стыке нанотехнологий и квантовой физики.

Источник: Nature