Учёные из Южного федерального университета впервые продемонстрировали эпитаксиальное формирование комплексов из трёх квантовых точек в строго заданной треугольной геометрии. Такие структуры могут стать основой для элементов квантовых компьютеров и фотонных интегральных схем.
Квантовые точки — это нанометровые полупроводниковые объекты, в которых электроны оказываются «заперты» в очень малом объёме, из‑за чего их энергетический спектр становится дискретным, как у атомов. Это напрямую влияет на оптику: квантовая точка может излучать свет строго определённой длины волны, а её можно «настраивать» размером самой структуры.
Как отмечают ученые, в перспективных полупроводниковых устройствах будущего требуются не просто массивы большого числа хаотично расположенных квантовых точек, а комплексы считанного числа таких объектов с предзаданным расположением. Особый интерес вызывает случай трёх точек в вершинах равностороннего треугольника: в такой геометрии возникают эффекты фрустрации зарядового распределения и управляемые квантовые связи между кубитами. Это важно для квантовых симуляторов, логических операций и обработки квантовой информации.
До сих пор такие структуры в основном создавались литографией — через формирование электродов над двумерным электронным газом, которые задают положение квантовых точек. Проще говоря, сначала «рисуют» очень тонкий шаблон на поверхности материала, а затем с помощью электрических затворов заставляют электроны собираться в нужных местах, формируя квантовые точки.
Метод широко используется, но имеет ограничения: сравнительно слабое квантовое ограничение (то есть электроны удерживаются не так «жёстко», как хотелось бы для идеальных квантовых эффектов), не самые сильные оптические свойства и сложная технология изготовления.
В новой работе исследователи из лаборатории эпитаксиальных технологий ЮФУ ПИШ ЮФУ предложили другой подход — эпитаксиальный рост, при котором квантовые точки формируются и самоорганизуются прямо в процессе выращивания кристалла. При этом заранее заданная геометрия поверхности «направляет» их расположение, позволяя получать устойчивые тройные комплексы.
Как отмечают ученые, такой подход обеспечивает высокое структурное качество и выраженные квантовые эффекты, а также открывает путь к фотонным применениям — в частности, к источникам запутанных фотонов для квантовых технологий. Отдельно отмечается высокая селективностьформирования тройных квантовых точек: до 93% квантовых точек оказываются в целевых позициях, что важно для масштабирования метода.
«В таких работах важно то, что впервые удалось совместить два обычно конфликтующих подхода: точную геометрию, заданную технологией обработки поверхности, и последующую самоорганизацию квантовых точек при эпитаксии. По сути, это попытка получить “полуручное” управление квантовой архитектурой — когда ты не вырезаешь структуру литографией, а задаёшь ей условия, в которых она сама собирается нужным образом», — поделился Сергей Балакирев, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦКП «Передовые технологии микро- и оптоэлектроники» и НИЛ эпитаксиальных технологий, доцент дивизиона «Электроника» ПИШ ЮФУ.
Почему это важно для человечества? Умение выращивать такие треугольные комплексы открывает новый путь к созданию масштабируемых квантовых процессоров, где кубиты должны взаимодействовать строго определённым образом. Кроме того, это позволяет строить квантовые симуляторы для моделирования сложных молекул и материалов, что может привести к важным результатам в разработке новых лекарств, сверхпроводников или эффективных батарей. Наконец, источники запутанных фотонов на основе таких структур — это основа квантовой криптографии и будущего квантового интернета, где информация будет защищена законами физики.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-79-10313 и опубликовано в «Materials Science in Semiconductor Processing».