Odkrycia z fizyki kwantowej. Prosty ruch zmienia światło

Materiał cienki jak atomowa kartka

Międzynarodowy zespół naukowców (m.in. z Kyung Hee University i University of Technology Sydney) wziął heksagonalny azotek boru – specjalny, „śliski” materiał przypominający grafen. Składa się on z ultracienkich warstw, które można łatwo rozdzielać i układać jak kartki w notesie. W tym materiale znajdują się maleńkie defekty, które działają jak mikroskopijne źródła światła – emitują pojedyncze fotony. Właśnie te pojedyncze fotony są kluczowe dla przyszłości technologii kwantowej, takich jak komputery kwantowe, bezpieczna komunikacja czy ultraprecyzyjne czujniki.

To odkrycie z fizyki kwantowej nie do końca jest nowatorskie. Już w ostatnich latach badacze dowiedli, że sam wzajemny obrót bardzo cienkich warstw materiałów może wyraźnie zmieniać ich właściwości optyczne oraz elektryczne. Nazywamy to „twistroniką” – jednym z najciekawszych kierunków badań nad materiałami dwuwymiarowymi.

Azotek boru brzmi obco

Fizycy w najnowszym badaniu wykorzystali tę koncepcję do kontrolowania emiterów kwantowych właśnie w heksagonalnym azotku boru. Zrezygnowali z modyfikacji chemicznej materiału i stosowania silnych pól elektrycznych. W zamian zmienili tylko kąt skręcenia pomiędzy jego warstwami.

Jak czytamy w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science Advances dzięki zmianie kąta skręcenia naukowcy byli w stanie zmienić długość fali emitowanego światła nawet o ponad 30 nanometrów. To tak, jakby jednym ruchem zmienić kolor żarówki z pomarańczowej na zieloną. Odpowiada to sporej zmianie energii fotonów – około 100 mili-elektronowoltów. To jeden z największych zakresów „dostrojenia”, jaki kiedykolwiek osiągnięto w taki prosty sposób.

Sekret tkwi w warstwach

Jednym z kluczowych odkryć badania z zakresu fizyki kwantowej jest możliwość wielokrotnego powtórzenia eksperymentu. Naukowcy wielokrotnie rozdzielali warstwy, przekręcali je i składali ponownie. Materiał nie ulegał zniszczeniu. Dlaczego akurat azotek boru? Bo jego warstwy są niezbyt mocno połączone . Łatwo je ruszać, a jednocześnie sam materiał jest niezwykle stabilny i „świeci” dobrze nawet w temperaturze pokojowej.

Ten materiał ceramiczny posiada atomy ułożone w bardzo cienkich warstwach, które są połączone słabymi oddziaływaniami. To sprawia, że można je nie tylko rozdzielać, ale też ponownie układać, niczym bardzo cienkie kartki papieru. Ta cecha odróżnia heksagonalny azotek boru od wielu innych materiałów, np. diamentu czy węglika krzemu, gdzie kolejne manipulacje strukturą są o wiele trudniejsze.

Odkrycie z fizyki kwantowej: bez zachwytu i bez lekceważenia

Naukowcy wykonali także obliczenia teoretyczne, aby potwierdzić wyniki eksperymentów. Pokazały one, że zmiana kąta skręcenia wpływa na lokalne otoczenie defektów na poziomie atomowym, co zmienia ich właściwości optyczne.

Autorzy badania są ostrożni i podkreślają, że to dopiero podwaliny do stworzenia komputera kwantowego przyszłości. Pokazuje jednak nowe, zaskakująco proste narzędzie do sterowania pojedynczymi cząstkami światła. A to z kolei może w przyszłości przyspieszyć rozwój ultraszybkich i bezpiecznych sieci komunikacyjnych, precyzyjnych czujników kwantowych oraz fotonicznych elementów procesorów czyli budulca technologii jutra.

Warto przeczytać: Kot Schrödingera wraca. Oxford zajrzał w głąb świata kwantów