В квантовых коммуникациях и вычислениях одиночные фотоны — носители информации, которую нельзя подслушать или скопировать. Существующие источники либо требуют криогенных температур, как эпитаксиальные квантовые точки, либо страдают от нестабильности и короткого срока службы, как коллоидные квантовые точки. Рядом с этой работой в архиве находятся исследования одиночных фотонов из одиночных молекул, атомов в чипах и оптических полостей — все они ищут баланс между яркостью, стабильностью и простотой изготовления. Данная статья стоит особняком: она берёт обычный, серийно выпускаемый материал C60 и показывает, что он может быть источником одиночных фотонов без сложной нанофабрикации.
Молекулы C60 растворяли в толуоле с полистиролом и наносили каплю на золотую подложку при быстром вращении (4000 оборотов в минуту). Получалась тонкая плёнка, в которой отдельные молекулы фуллерена были изолированы друг от друга. Возбуждали лазером с длиной волны 405 нм, работавшим в непрерывном или импульсном режиме с длительностью импульса 50 пикосекунд. Испускаемый свет около 620 нм собирали объективом и направляли в интерферометр Хэнбери Брауна и Твисса, где два детектора регистрировали совпадения фотонов. По гистограмме задержек между событиями вычисляли корреляционную функцию второго порядка g(2)(τ), которая показывает, испускаются ли фотоны поодиночке.
При непрерывном возбуждении значение g(2)(0) составило 0,304 ± 0,024, что ниже порога 0,5 и подтверждает одиночное излучение. При импульсном возбуждении с частотой 10 МГц получили g(2)(0) = 0,308 ± 0,024 — фотоны испускаются по команде. Время жизни экситона оказалось около 4,5 нс, причём наблюдался разброс от 3 до 27 нс в зависимости от локального окружения молекулы. Мигание излучения, когда молекула переключается между ярким и тёмным состояниями, описывается степенным законом с показателем α = 0,369, что указывает на многоуровневую динамику, а не простую трёхуровневую модель. Спектр излучения с пиком на 620 нм объясняется фотоокислением C60: присоединение кислорода нарушает симметрию и разрешает переходы, запрещённые в чистом фуллерене.
Работа отличается от соседних исследований использованием коммерчески доступного C60 вместо специально синтезированных квантовых точек или дефектов в алмазе. Это снижает барьер входа: не нужны ни криогенные температуры, ни сложная химия. Короткое время жизни экситона обещает высокую скорость генерации фотонов, что важно для квантовой криптографии. Однако мигание и разброс времён жизни показывают, что молекулы чувствительны к окружению, и для практики потребуется контроль над окислением и стабилизацией эмиттеров.
Можно исследовать, как число присоединённых атомов кислорода влияет на яркость и стабильность. Химическая модификация фуллеренов, например, присоединение функциональных групп, может подавить мигание и сузить распределение времён жизни. Встраивание в оптические резонаторы или фотонные структуры ускорит излучение и повысит эффективность сбора фотонов.
Квантовая связь, квантовые вычисления, квантовое зондирование.
Определить точный состав окисленных фуллеренов C60On и изучить их фотофизику в контролируемой атмосфере.
Для квантовой оптики остаётся открытой проблема стабильных и ярких одиночных излучателей при комнатной температуре. Мигание и фотообесцвечивание ограничивают время работы источников, а разброс времён жизни указывает на неоднородность локального окружения. Понимание механизмов окисления и деградации молекул поможет создать источники с предсказуемыми свойствами.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе показано, что молекулы C60, внедрённые в полистирольную плёнку, при комнатной температуре испускают одиночные фотоны с g(2)(0) около 0,3 как при непрерывном, так и при импульсном возбуждении. Время жизни экситона около 4,5 нс с разбросом, мигание описывается степенным законом с показателем 0,369. Спектр излучения с пиком на 620 нм связывается с фотоокислением фуллерена.
В чём сила
Использование коммерчески доступного C60 и простой методики изготовления плёнки даёт дешёвый и масштабируемый источник одиночных фотонов при комнатной температуре. Короткое время жизни экситона обещает высокую скорость генерации.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Если удастся стабилизировать излучение и увеличить яркость, такие источники могут стать основой для недорогих квантовых коммуникационных устройств, работающих при комнатной температуре.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.54, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Фуллерен C60 имеет форму футбольного мяча: 60 атомов углерода образуют 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Впервые его синтезировали в 1985 году, за что в 1996 году присудили Нобелевскую премию по химии.