ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования в области физических основ нанотехнологий фотоники и оптоинформатики ведутся очень интенсивно. Непрерывно появляются сообщения о новых материалах, новых устройствах и приборах, новых технологиях. Одним из направлений является исследование различных нелинейностей в периодических структурах и метаматериалах. Другим важным направлением являются исследования в области квантовых технологийи создания квантового компьютера и нейрокомпьютера.
Специально были рассмотрены технологии и устройства, которые находятся в стадии активной разработки ведущими конкурирующими лабораториями мира, такие как квантовые технологии и квантовые компьютеры на различных физических основах и устройства, которые уже созданы,напримерсолнечныебатареитретьегопоколениясвысокимКПД.
В настоящее время около 30 % валового национального продукта США производится на основе квантовой механики. Квантовая механика стремительно превращается винженернуюнауку, технику и технологию.
Быстроразвивающиеся NBIC-технологии (Nano – нанотехнологии), включая новые нанотехнологии фотоники и оптоинформатики (Bio – биотехнологии клеточные и молекулярные), (Inform – информационные технологии), (Cognito – технологии познания, искусственный интеллект), являются ключевыми технологиями. Они вносят решающий вклад в шестой технологический уклад и начинающуюся четвертую промышленную революцию в 20-х гг. XXI в., которая приведет нас в «новый дивный мир веществ и существ».
После Указа Президента РФ «О стратегии научно-технологи- ческого развития РФ» от 01.12.2016 г. правительством после 1 марта 2017 г. утвержден план мероприятий по реализации Указа «Дорожная карта» по восьми программам объемом 8 млрд руб.:
AutoNet – беспилотные авто;
AeroNet– беспилотные летательные аппараты; MarinNet– морские интеллектуальные системы; EnergyNet– умная энергетика;
SafeNet– системы безопасности; NeuroNet– нейротехнологии; HealthNet– персональная медицина;
FoodNet– система персонального производства еды.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Дисциплина «Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики»
Тематический план
Тема 1. Нанофотоника и оптоинформатика. Тема 2. Источники излучения.
Тема 3. Фотоприемники. Тема 4. Модуляторы.
Тема 5. Оптика неоднородных сред.
Тема 6. Волоконно-оптические системы связи. Тема 7. Технологии наноплазмоники.
Тема 8. Оптическая запись, хранение и считывание информации. Тема 9. Оптические технологии в вычислительной технике. Тема 10. Физические основы квантовой технологии.
Тема 11. Квантовые вычисления и операции. Тема 12. Квантовый компьютер.
Примерные вопросы к экзамену по дисциплине
1.Светоизлучающие диоды. Материалы и структуры. Квантово-раз- мерные лазеры и лазерыс микрорезонаторами.
2.Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (VCSEL). Фотонно-кристаллические лазеры с микрорезонаторами. Случайные лазеры.
3.Полупроводниковые детекторы фотонов для оптических приемников.
4.Солнечные элементы на основе металлоорганических перовскитов (МОП).
5.Электрооптические модуляторы. Интегрально-оптические модуляторы света. Электропоглощающие модуляторы на основе эффекта Келдыша – Франца и квантово-размерного эффекта Штарка.
6.Магнитооптические модуляторы света. Акустооптические модуляторы света.
7.Характеристики волоконных световодов. Технология изготовления и применения световодов. Специальные волноводы. Фокон, градан, сельфок.
8.Активные элементы интегральной оптики. Технология интегральной оптики.
9.Волоконно-оптические системы связи. Волноводные оптические усилители и лазеры. Волоконный усилитель, легированный эрби-
ем (EDFA).
10.Фотонные кристаллы. Фотонные фракталы.
11.Квантовая наноплазмоника. Нанолазер на поверхностных плазмонах (спейзер). Устройства наноплазмоники. Плазмонный графеновый чип.
12.Оптические метаматериалы. «Правые» и «левые» изотропные среды. Оптические плазмонные метаматериалы. Применение оптических метаматериалов.
13.Элементы памяти на макроскопических структурных изменениях (нарушениях формы) носителя. Магнитные элементы памяти. Электрические элементы памяти.
14.Оптические элементы памяти. Амплитудная бистабильность
впассивном кольцевом оптическом резонаторе. Бистабильные оптические устройства.
15.Голографические элементы памяти. Оперативные запоминающие голографические устройства. Сегнетоэлектрические энергонезависимые запоминающие устройства.
16.Оптические технологии. Оптические логические устройства на основе оптической бистабильности. Аналоговые процессоры.
17.Коммерческий оптический компьютер EnLight 256. Технология Lenslet. Элементная база EnLight 256. Мемристор.
18.Квантовая нанотехнология. Постулаты квантовой механики. Квантовая суперпозиция состояний.
19.Получение запутанных квантовых состояний. Спонтанное параметрическое рассеяние света. Бифотоны.
20.Мысленный эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена – Бома. Неравенства Белла. Формализм. Нарушение неравенства Белла. Экспериментальная проверка неравенств Белла.
21.Квантовая телепортация состояний. Алгоритм передачи.
22.Измерение. Кубиты. Однокубитовые вентили. Трехмерная визуализация кубита – сферы Блоха. Логические элементы, действующие на два кубита. Универсальные квантовые вентили. Базис Белла.
23.Теорема о запрете клонирования. Доказательство.
24.Структура квантового компьютера. Идеальный квантовый компьютер. Сравнение квантового компьютера с оптическим компьютером.
25.Физические проблемы квантовых компьютеров. Методы подавления декогеренции. Фазовая декогеренция кубита. Общие требования для реализации квантового компьютера.
26.Квантовый компьютер на основе спектрометра ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Квантовые компьютеры на различной физической основе.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
NV-центр1
NV-центр (англ. nitrogen-vacancy center), или азотозамещенная вакансия в алмазе (рис. П.1) – это один из многочисленных точечных дефектов алмаза. Дефект представляет собой нарушение строения кристаллической решетки алмаза, возникающее при удалении атома углерода из узла решетки, и связывание образовавшейся вакансии с атомом азота.
Уникальность дефекта заключается в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, «замороженного» в кристаллической решетке алмаза. Электронные спины индивидуального центра легко манипулируются светом, магнитным, электрическим и микроволновыми полями, что позволяет записывать квантовую информацию на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре. Центр имеет продолжительное, достигающее нескольких миллисекунд, время хранения наведенной спиновой поляризации. В настоящее время NV-центр может рассматриваться как базовый элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и в других областях применения спинтроники.
Основным преимуществом «алмазных кубитов» над их сверхпроводящими аналогами является то, что их можно использовать для создания «долгой» квантовой памяти благодаря возможности перенесения кубита на ядерный спин.
Рис. П.1. Упрощенная структура NV-центра
1 NV-центры // Nature. 2015. Vol. 526. Р. 410–414.
NV-центр является дефектом кристаллической решетки алмаза. Дефект включает в себя вакансию решетки со связанным с ней атомом азота. Размер решетки составляет 3,5 Å. Ось симметрии проходит по линии, соединяющей вакансию и атом азота, и по линии [111].
Методы исследования
Из спектроскопических исследований известно, что этот дефект может иметь отрицательный (N,V−) или нейтральный (N,V0) заряд. В исследованиях использовались различные методы: оптическое поглощение, фотолюминесценция (ФЛ), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР), который можно считать гибридом ФЛ и ЭПР. Наиболее подробную картину взаимодействия дает ЭПР. Атом азота имеет пять валентных электронов. Три из них ковалентно связаны с близлежащими атомами углерода, а два – с вакансией. Дополнительный электрон захватывает центр со «стороны» (видимо, от другого атома азота). Иногда центр теряет этот электрон, превращаясь в нейтральный.
У отрицательно заряженного центра N,V− электрон находится рядом с вакансией, образуя спиновую пару S = 1 с одним из валентных электронов вакансии. Как и в N,V0 электроны вакансии обмениваются ролями, сохраняя полную тригональную симметрию. Состояние N,V− обычно называют NV-центром. Электрон находится большую часть времени (90 %) вблизи вакансии NV-центра.
NV-центры, как правило, случайно разбросаны в теле алмаза. Однако ионная имплантация позволяет создавать центры в определенно заданном месте.
Энергетическая структура уровней NV-центра
Электронные переходы между основными ³А и возбужденными ³Е состояниями разделены интервалом энергии 1,945 эВ (637 нм) и определяют спектр поглощения и люминесценции. Состояние ³А расщеплено на 1027 гаусс (~5,6 мкэВ), а состояние ³E – на 508 гаусс (~2,9 мкэВ). Числа 0, ±1 обозначают величину спина; расщепление из-за спинорбитального вырождения не показано.
Энергетическая структура NV-центров изучалась теоретически и экспериментально. В экспериментах в основном применялся комбинированный способ возбуждения – метод электронного параметрического резонанса и лазерное излучение.
Гамильтониан
Спиновый гамильтониан центра, у которого в вакансии находится изотоп азота N14, имеет вид
Hˆ DSˆz2 g Sˆz B AIS gn n Iˆz B QIˆz2,
где D и A – тензоры тонкого и сверхтонкого расщепления; Q – тензор квадрупольного ядерного расщепления; g, gn и , n – электронный
и ядерный факторы g и магнетоны Бора; |
ˆ |
– эффективный электро- |
S |
ный спиновый оператор, |
Sˆ Sˆx ,Sˆy ,Sˆz ; |
Iˆ |
|
– оператор спина ядра, |
ˆ |
ˆ |
ˆ |
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
I |
(Ix |
,Iy |
,Iz ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметр |
|
D, МГц |
A, МГц |
Q,МГц |
|
|
|
|
|
3A |
|
2870 |
–2,166 |
|
4,945 |
|
|
|
|
|
3Е |
|
1420 |
40 |
|
|
– |
|
Схема уровней представлена на рис. П.2. Для того чтобы определить собственные состояния центра, его рассматривают как молекулу, а в расчетах применяют метод линейной комбинации атомных орбиталей. Также используется теория групп, учитывающая как симметрию алмазной кристаллической структуры, так и симметрию самого NV. Энергетические уровни помечены в соответствии с симметрией группы С3V, A1, А2 и Е. Числа 3 в ³А2 и 1 в 1А1 представляют число разрешенных mS спиновых состояний, или спиновую мультиплетность, ле-
жащую от −S до S при полном числе 2S + 1 возможных состояний. Если S = 1, mS может принимать значения mS 1,0,1. Уровень 1А1
предсказан теорией и играет важную роль в подавлении фотолюминесценции, но прямого экспериментального наблюдения этого состояния пока не было.
В отсутствие внешнего магнитного поля основное и возбужденное состояния расщеплены магнитным взаимодействием между двумя неспаренными электронами NV-центра: при параллельных спинах электронов (mS 1) их энергия больше, чем в случае с антипарал-
лельными спинами (mS 0).
Чем дальше отделены электроны, тем слабее взаимодействие D (D ~ 1/r³). Иными словами, меньшее расщепление возбужденного состояния означает большую удаленность друг от друга
Рис. П.2. Схема уровней NV-центра
Рис. П.3. Спектр флуоресценции NV-центра при температуре 9 К. Узкий пик является так называемой люминесценцией нулевой фононной линии (англ. zero phonon line). В этом пике содержится около 4 % всей люминесценции
электронов. Когда NV находится во внешнем магнитном поле, оно не влияет ни на состояние mS 0, ни на состояние 1А1 (из-за того, что S = 0),
но оно расщепляетуровни mS 1. Если магнитное поле сориентировано вдоль оси дефекта и его величина достигает 1027 гаусс (или 508 гаусс), то уровни mS 1 и mS 0 в основном (или возбужденном) состоянии
имеют одинаковую энергию. При этом они сильно взаимодействуют через так называемую спиновую поляризацию, что очень сильно влияет на интенсивность оптического поглощения и люминесценции этих уровней.
Необходимо иметь в виду, что переходы между электронными состояниями происходят с сохранением полного спина. По этой причине переходы ³E↔1A и 1A ↔ ³A безызлучательные и тушат люминесценцию (рис. П.3). Тогда как переход mS 1 mS 0 запрещен
в отсутствие поля и становится разрешенным, когда магнитное поле
348
перемешивает уровни mS 1 и mS 0 основного состояния.
Результатом является то, что интенсивность люминесценции можно сильно модулировать магнитным полем.
Возбужденное состояние ³E дополнительно расщеплено благодаря орбитальному вырождению и спин-орбитальному взаимодействию. Это расщепление может быть промодулировано внешним статическим как электрическим, так и магнитным полем. Расстояние между уровнями mS 0 и mS 1 приходится на микроволновой диапазон (~2,88 ГГц).
Облучая центр микроволновым полем, можно изменять населенность подуровней основного состояния и тем самым модулировать интенсивность люминесценции. Эта техника называется методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Сила осциллятора перехода (³A ³E)
Сила осциллятора – безразмерная величина, которая равна вероятности квантовых переходов в процессах излучения, фотопоглощения и кулоновского возбуждения атомных, молекулярных или ядерных систем. В случае электронных переходов в атомах электрические дипольные силы осцилляторов составляют десятые доли единицы. Для магнитных дипольных и электрических квадрупольных переходов порядка 10–6–10–8.
Сила осциллятора для электрического дипольного перехода меж-
ду состояниями и со значениями энергии Ei i |
,Ef f |
F |
|
|
2m |
f i |
|
f |
|
Dˆz |
|
i |
|
2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f i |
|
e2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где m и e – масса и заряд электрона; Dˆz – оператор проекции диполь-
ного момента.
Переход из основного триплетного состояния A³ в возбужденное триплетное состояние Е³ имеет большую силу осциллятора – 0,12 (для сравнения: D1 линия 87 Rb имеет 0,6956), что позволяет легко детектировать этот переход оптическими методами. Хотя тонкая структура возбужденного состояния сильно зависит от окружения центра, известно, что переход из возбужденного ms = 0 (³E) в основное ms = 0 (³A) состояние сохраняет спин состояния. Тогда как переход из состояния ms = ±1 (³E) в состояние ms = 0 (³A) происходит безызлучательным способом. Этот переход осуществляется в два этапа – через синглетное состояние 1A.
Существует также дополнительное расщепление состояний ms = ±1, являющееся результатом сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электронным спинами. В итоге спектр поглощения и люминесценции NV-центра состоит приблизительно из дюжины узких линий, разделенных на несколько мегагерц–гигагерц. Интенсивность и положениеэтихлиниймогутбыть промодулированыразличными способами.
Изготовление NV-центров
Даже высокочистый природный и синтетический (IIa типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров (высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10–80 кэВ). Это может быть поток электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что N,V0 в основном залегают до глубин в 0,2 мкм. Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако при повышении температуры (выше 800 С) их подвижность значительно возрастает. Атом азота, внедренный в решетку, захватывает одну из вакансий и создает с другой соседней вакансией NV-центр.
Алмаз известен тем, что его решетка имеет внутренние напряжения, которые расщепляют, смещают и уширяют уровни NV-центра. Для регистрации узких линий (~10 МГц) на переходе ³A ³E нужно выдвигать особые требования к качеству кристалла. Для этого используют высокочистый природный алмаз или синтетически изготовленный (IIa типа). Для исследования центров обычно применяют конфокальный сканирующий микроскоп, имеющий субмикронное разрешение (~250 нм).
