Οι κβαντικές τεχνολογίες βασίζονται στον ακριβή έλεγχο του φωτός και της ύλης. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Simon Fraser, την Photonic Inc. και το Ερευνητικό Εργαστήριο του Ναυτικού των ΗΠΑ απέδειξαν ότι η χρήση βαρύτερων ισοτόπων υδρογόνου στα κέντρα Τ του πυριτίου μπορεί να αυξήσει σημαντικά την αποδοτικότητα παραγωγής φωτονίων.
Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, ανοίγει τον δρόμο για πιο αξιόπιστες πηγές μεμονωμένων φωτονίων.
Η σημασία των κέντρων χρώματος στο πυρίτιο
Τα κέντρα χρώματος είναι ατέλειες στην κρυσταλλική δομή του πυριτίου που μπορούν να εκπέμπουν φως. Το κέντρο Τ, που αποτελείται από δύο άτομα άνθρακα και ένα άτομο υδρογόνου, εκπέμπει φως σε μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται ήδη από τα καλώδια οπτικών ινών του διαδικτύου.
Αυτό το καθιστά ιδανικό για την ανάπτυξη κβαντικών δικτύων και συστημάτων επικοινωνίας. Μέχρι πρόσφατα, η υποκείμενη φυσική του δεν ήταν πλήρως κατανοητή, ειδικά όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο χάνει ενέργεια χωρίς να εκπέμπει φως.
Το γιγαντιαίο ισοτοπικό φαινόμενο
Η ερευνητική ομάδα πειραματίστηκε με διαφορετικές ισοτοπικές μορφές του υδρογόνου. Χρησιμοποίησαν το κοινό, ελαφρύτερο ισότοπο (πρώτιο) και το σπανιότερο, βαρύτερο ισότοπο (δευτέριο).
Τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά: ο χρόνος ζωής της διεγερμένης κατάστασης του κέντρου Τ με δευτέριο είναι 5,4 φορές μεγαλύτερος από εκείνον με πρώτιο. Αυτή η διαφορά υποδηλώνει ότι το δευτέριο καταστέλλει τη μη ακτινοβολούμενη αποδιέγερση, καθιστώντας τον εκπομπέα εξαιρετικά αποδοτικό.
Αιτίες απώλειας ενέργειας και αποδοτικότητα
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η κύρια αιτία απώλειας ενέργειας είναι μια συγκεκριμένη δόνηση του δεσμού άνθρακα-υδρογόνου μέσα στο κέντρο χρώματος. Στην περίπτωση του δευτερίου, αυτή η δόνηση απαιτεί χαμηλότερη ενέργεια, γεγονός που εμποδίζει τη χαλάρωση της διεγερμένης κατάστασης χωρίς την εκπομπή φωτός. Οι αρχικές εκτιμήσεις δείχνουν ότι το κέντρο Τ με δευτέριο μπορεί να έχει απόδοση πάνω από 98%. Επιπλέον, μπορεί να υποβληθεί σε οπτικούς κύκλους περίπου 300 φορές περισσότερο από την παραδοσιακή μορφή πριν χρειαστεί επαναφορά.
Μελλοντικές εφαρμογές σε κβαντικά δίκτυα
Η χρήση του δευτερίου προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα για τη διανομή κβαντικής διεμπλοκής και τη δημιουργία συσκευών υψηλής απόδοσης. Το κέντρο Τ είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για κβαντική δικτύωση μεγάλων αποστάσεων, καθώς εκπέμπει εγγενώς στη ζώνη οπτικών τηλεπικοινωνιών.
Η ομάδα εργάζεται τώρα για την ενσωμάτωση αυτών των κέντρων σε νανοφωτονικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα, με στόχο την επίδειξη κβαντικών κόμβων που θα λειτουργούν μέσω εγκατεστημένων οπτικών ινών στην περιοχή του Βανκούβερ.