Fizyka kwantowa okazuje się jednocześnie źródłem problemu i możliwym sposobem jego rozwiązania.
Kryptografia kwantowa wykorzystuje pojedyncze cząstki światła, czyli fotony. Informację można zapisać na przykład w sposobie, w jaki drga światło. Każda próba zmierzenia lub przechwycenia takiego fotonu zmienia jego stan, dzięki czemu osoby przesyłające dane mogą wykryć, że ktoś ingerował w transmisję.
Do rozwoju takich technologii potrzebne są jednak źródła światła, które emitują pojedyncze fotony w sposób stabilny i powtarzalny. Poszukiwanie materiałów o takich właściwościach jest jednym z ważnych kierunków współczesnej fotoniki kwantowej.
Międzynarodowy zespół z udziałem Natalii Zawadzkiej z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zaobserwował emisję pojedynczych fotonów w ZnPS₃, krysztale zbudowanym z cynku, fosforu i siarki. W badaniach uczestniczyli również naukowcy z Singapuru i Holandii, a wyniki opublikowano w czasopiśmie ACS Nano.
ZnPS₃ czyli trójsiarkofosforek cynku jest materiałem warstwowym. Z większego kryształu można oddzielać bardzo cienkie płatki, mające zaledwie kilkadziesiąt nanometrów grubości. Takie dwuwymiarowe struktury mogą być łączone z miniaturowymi układami fotonicznymi i elektronicznymi.
ZnPS₃ należy do rodziny warstwowych kryształów MPX₃. Litera M oznacza metal, P – fosfor, a X – chalkogen, czyli na przykład siarkę lub selen.
W badanym związku metalem jest cynk, a chalkogenem siarka. Naukowcy zainteresowali się ZnPS₃, ponieważ jest niemagnetycznym półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej, który można rozdzielać na bardzo cienkie warstwy.
Pozwala więc zbadać sam mechanizm emisji pojedynczych fotonów, a następnie sprawdzić, czy podobne zjawisko występuje także w pokrewnych, magnetycznych materiałach.
– Niewielki rozmiar płatków pozwala na ich bezproblemową integrację z istniejącymi miniaturowymi układami fotonicznymi, chipami krzemowymi oraz światłowodami. W praktyce oznacza to możliwość tworzenia złożonych, wieloczęściowych obwodów optycznych na jednym chipie – tłumaczy Natalia Zawadzka.
Pożądane defekty w strukturze
Trójsiarkofosforek cynku jest materiałem fotoluminescencyjnym. Pochłania światło lasera, a następnie oddaje część tej energii, emitując własne światło.
Aby sprawdzić, skąd pochodzi emisja, naukowcy najpierw zbadali kształt i powierzchnię cienkich płatków za pomocą mikroskopii sił atomowych. Następnie tworzyli mapy fotoluminescencji próbki, a za pomocą pomiarów korelacji potwierdzili, że obserwowane emitery wysyłają pojedyncze fotony.
W trakcie eksperymentów okazało się, że źródłem emisji mogą być defekty w strukturze materiału. Obliczenia wskazały, że jej źródłem najprawdopodobniej jest miejsce, w którym w regularnej sieci krystalicznej brakuje pojedynczego atomu fosforu. Taki defekt nazywa się wakancją fosforową.
W miejscu brakującego atomu tworzy się miniaturowa, lokalna pułapka energetyczna. Gdy oświetlimy ją laserem, więzi ona energię, którą następnie uwalnia, emitując dokładnie jeden foton.
– Podczas pomiarów zauważyliśmy, że sygnał nie jest jednorodny w obrębie płatka. Światło o wyższej intensywności lokalizowało się na krawędziach oraz w obszarach pofałdowanych, co od razu zasugerowało emisję z defektów strukturalnych. Idąc tym tropem, przeprowadziliśmy obliczenia teoretyczne sprawdzające, jaką energię ma świecenie z luk atomowych cynku, siarki oraz fosforu. To właśnie emisja z luki fosforowej okazała się najbardziej zbliżona do wyników eksperymentalnych. Choć uwzględnienie większej liczby subtelnych efektów fizycznych w symulacjach jest niezwykle trudne, uzyskane wyniki zadowalająco potwierdzają, że źródłem pojedynczych fotonów są właśnie luki fosforowe – wyjaśnia Natalia Zawadzka.
Działanie tej kwantowej pułapki można porównać do niewielkiego zagłębienia w gładkim stole bilardowym. Tocząca się po powierzchni bila może wpaść w dołek i zostać w nim uwięziona. W krysztale podobną pułapką jest wakancja fosforowa. Gdy związany z nią układ powraca do stanu o niższej energii, uwalnia jej porcję w postaci pojedynczego fotonu.
Światło uporządkowane niemal idealnie
Co szczególnie ważne dla kryptografii kwantowej, światło opuszczające kryształ ZnPS3 drga niemal idealnie w jednej płaszczyźnie. W kryptografii kierunek tego drgania (czyli polaryzacja) służy bezpośrednio do kodowania cyfrowych zer i jedynek – im czystsza polaryzacja, tym bezpieczniejszy i mniej podatny na błędy jest przesył danych.
– W klasycznym świetle, na przykład z żarówki czy Słońca, fale świetlne drgają chaotycznie we wszystkich kierunkach. Fakt, że nasz emiter generuje światło silnie spolaryzowane, oznacza, że każdy wysyłany foton drga w jednym, ściśle określonym kierunku. W kryptografii kwantowej fotony służą jako nośniki bitów informacji, a kodowanie odbywa się właśnie poprzez kierunek ich polaryzacji. Dla przykładu: foton drgający pionowo może oznaczać cyfrę 1, natomiast drgający poziomo – cyfrę 0 – tłumaczy badaczka.
Choć odkrycie jest spektakularne, technologia ta stawia przed inżynierami konkretne wyzwania. Obecnie emitery ZnPS₃ działają jedynie po schłodzeniu do temperatury około –253°C, czyli zaledwie 20 stopni powyżej zera bezwzględnego.
W takich warunkach ruch termiczny atomów jest niemal całkowicie zahamowany, dzięki czemu ich drgania nie zakłócają emisji pojedynczych fotonów. Utrzymanie tak niskiej temperatury wymaga jednak specjalistycznej i kosztownej aparatury, co na razie utrudnia praktyczne zastosowanie materiału.
Co dalej?
Choć badany kryształ cynku jest niemagnetyczny, można zastosować inne metale, które wykazują silne, naturalne właściwości magnetyczne w skali dwuwymiarowej. Zrozumienie mechanizmu działania wakancji fosforowych w kryształach z cynkiem otwiera bezpośrednią drogę do odtworzenia tego efektu w materiałach magnetycznych.
– Właśnie potwierdziliśmy występowanie emiterów pojedynczych fotonów w ZnPS3. To sugeruje, że analogiczne centra mogą występować również w materiałach pokrewnych, takich jak MnPS3 czy NiPS3. Co ciekawe, kryształy zawierające mangan lub nikiel są magnetyczne, co otwiera fascynującą możliwość stworzenia emiterów wrażliwych na pole magnetyczne. Potencjalnie moglibyśmy za pomocą zewnętrznego magnesu sterować właściwościami optycznymi takich źródeł światła lub użyć ich jako niezwykle czułych detektorów pola magnetycznego – podsumowuje Natalia Zawadzka.
Odkrycie dokonane przez zespół z udziałem fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego to istotny krok na drodze do rozwoju bezpiecznego internetu opartego na szyfrowaniu kwantowym.
Maszyny kwantowe nowej generacji potrzebują do działania stabilnych, powtarzalnych i łatwych w integracji komponentów. Dwuwymiarowe płatki ZnPS3 doskonale wpisują się w te wymagania, umożliwiając bezpośrednie łączenie ich z istniejącymi chipami krzemowymi.
