Что даёт взаимодействие
квантового света и материи
на наноуровне.
Представьте себе крошечный, невообразимо маленький магнит — настолько, что его не разглядеть даже в самый мощный микроскоп, — в котором, тем не менее, бушует мини-ураган. Его вихри заставляют северный и южный полюса кружиться в дикой пляске, вырисовывая причудливый узор… У вас получилось? Поздравляем: теперь вы знаете, как выглядит скирмион.
Эта необычная магнитная структура, похожая одновременно на вихрь и клубок спутанной игривым котёнком пряжи, представляет собой квазичастицу. Несмотря на то, что она ведёт себя как настоящая частица, эта волна намагниченности, по сути, является локализованными возбуждениями в материалах. Изначально она была выведена чисто математически как модель специфических возмущений в физике элементарных частиц.
Однако скирмионы — не просто забавная абстракция, — они существуют в природе. Их высокая стабильность (например, в некоторых кристаллах или даже ядрах), позволяет им претендовать на роль основы для компьютеров будущего. Настолько полезная жизнеспособность данных «нано-уроганов» является следствием их собственных топологических ограничений, вызванных неизменностью свойств при гладких деформациях, благодаря чему они и сохраняют свою структуру.
Впервые появившиеся в физике высоких энергий и квантовой теории поля, эти квазичастицы вызывают большой интерес. Особенно — в физике конденсированного состояния и фотонике. Их уникальные свойства и стабильность пророчат им потенциал надёжных носителей информации, который, к сожалению, никак не воплотится в реальной технологии.
«Наша работа была продиктована давней проблемой реализации топологических фотонных структур, в частности скирмионов, на квантовом уровне», — рассказывает Ин Ю, соавтор статьи о первой экспериментальной реализации однофотонных квантовых локализованных световых структур (тех самых скирмионов) в системе квантовой электродинамики (КЭД) с полупроводниковым резонатором. — Хотя оптические скирмионы были продемонстрированы в классической оптике с использованием объёмных установок, их создание с помощью одиночных фотонов на платформе размером с чип оставалось нерешённой задачей. Мы стремились устранить этот пробел, используя квантовую электродинамику в резонаторах (cQED) с управляемой спин-орбитальной связью для создания однофотонных скирмионов».
Эта работа исследователей из Университета Сунь Ятсена и Тяньцзиньского университета, недавно опубликованная в Nature Physics, может открыть новые возможности для изучения квантовых взаимодействий света и материи, чем очень поспособствует развитию фотонных квантовых устройств.
Основной целью было создание квантовых скирмионов с помощью детерминированно связанной системы микрополостей на основе квантовых точек (ограниченных в пространстве носителей заряда, обладающих широкополосным поглощением света и узкоинтервальным излучением). Кроме того, команда хотела изучить топологические свойства этих квазичастиц и оценить их устойчивость к возмущениям.
Для создания квантово-оптических скирмионов исследователи применили комбинацию различных технологий и экспериментальных методов. Наиболее примечательными из них были тщательно спроектированная система микрорезонаторов, аккуратное расположение квантовых точек в этой системе и сбор однофотонных измерений с поляризационным разрешением.
Воздействуя на квантовую точку магнитными полями, авторы смогли «выборочно связать излучение точки с круговой поляризацией <…> и генерировать одиночные фотоны, поляризационные состояния которых образуют скирмионные текстуры».
«Мы первыми экспериментально реализовали квантовые оптические скирмионы — одиночные фотоны, несущие скирмионные поляризационные текстуры, — на интегрированной нанофотонной платформе, — похваляется учёный. — Мы не только продемонстрировали их детерминированное возникновение, но и подтвердили их топологическую инвариантность при оптических возмущениях».
Это исследование открывает ценные возможности для развития квантовых фотонных систем и хиральной квантовой оптики, где закрученный по спирали свет, не обладающий зеркальной симетрией, неся спиновый и орбитальный угловые моменты, может наделять материалы специфическими свойствами. Так, например, создаются полупроводниковые нанокристаллы. Так что уже в не столь уж отдалённом будущем обнаруженные квантовые скирмионы могут быть использованы для разработки квантовых информационных систем, многомерных протоколов квантовой связи и, тоже немаловажно, топологически защищённых квантовых накопителей. Фактически, нас ожидает развитие устойчивых фотонных квантовых технологий с многомерными кубитами и квантовой памятью большой ёмкости.
В рамках развития своего успеха, авторы надеются создать другие скирмионные структуры с помощью аналогичных экспериментальных методов. Например, они хотели бы создать скирмиониумы — составные топологические структуры с настраиваемой топологией, которые могут оказаться полезными для разработки спинтроники и квантовых устройств.
«Мы также ищем способы создать запутанность между поляризацией и скирмионами в одном фотоне без использования внешних магнитных полей», — делится планами Ю. — Кроме того, мы стремимся интегрировать эти устройства в масштабируемые фотонные схемы, что потенциально позволит создать новые архитектуры для квантовых вычислений и обработки информации. Мы также изучаем возможность использования анизотропных и хиральных материалов для дальнейшего контроля и разнообразия топологических характеристик испускаемых фотонов».