Ученые Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) в сотрудничестве с японскими коллегами сумели не только создать сверхпроводящий чип, воспроизводящий "работу" единичного атома, но и продемонстрировать с его помощью целый ряд квантовых эффектов, один из которых - эффект лазерной генерации.
Действующий прототип прибора, созданного специалистами исследовательской лаборатории корпорации Nippon Electric Corporation (NEC), где по контракту работают и сотрудники ФИАНа, представляет собой металлическую пленочную структуру на обычном кремниевом чипе. Изготовлен он методом электронной литографии - напылением под различными углами алюминиевых пленок через германиевую маску, сформированную реактивным ионным травлением. Объект этот довольно сложный и состоит из различных элементов. Это волноводные линии, подводящиe и отводящие СВЧ-излучение, резонатор, а также островковая сверхпроводящая структура, содержащая нанометровые туннельные переходы.
Именно этот островок можно назвать искусственным атомом. Аналогия с атомом состоит в том, что для помещенного сюда заряда, куперовской пары или одиночного электрона, возникают дискретные уровни энергии. При этом состояния, которые способны занимать заряды, могут быть заранее сконструированы исследователем.
"В отличие от обычных, искусственные атомы с заранее заданными свойствами можно изготавливать на чипе. Расстояние между уровнями энергии может задаваться в широком диапазоне, например, напряжением или магнитным полем. Из-за больших, по сравнению с обычными атомами, размеров искусственные атомы намного сильнее взаимодействуют с электромагнитным излучением. Эти свойства позволяют изучать на чипе квантовую оптику в предельном случае, когда оптическая среда сведена к одиночному атому", - отмечает научный сотрудник ФИАНа Юрий Пашкин, один из авторов пионерской работы.
Изменяя параметры искусственного атома и его связь с внешними элементами, ученые могут формировать "свои" уровни энергии, отличные от тех, что созданы природой в атомах, перечисленных в таблице Менделеева. Создав такой атом, его можно использовать как элемент технического устройства, например, квантового генератора. Для этого нужно обеспечить так называемую инверсную заселенность, то есть сделать так, чтобы заселенность верхнего энергетического уровня превышала заселенность нижележащего уровня. Такой эксперимент недавно закончен, и его результаты стали достоянием общественности. Вот что говорит об эксперименте по созданию лазера на одиночном "искусственном атоме" другой сотрудник корпорации NEC Олег Астафьев:
"Активная оптическая среда в виде одиночного атома когерентно связана с СВЧ-резонатором. Инверсная заселенность в "атоме" создавалась путем пропускания постоянного тока (токовая накачка). Когда скорость генерации фотонов атомом превышала скорость их затухания в резонаторе, в нем происходило накопление и излучение фотонов, которое затем усиливалось и детектировалось. Сильная связь "атома" с резонатором здесь, в отличие от обычных лазеров и мазеров, приводит к беспороговому режиму лазерной генерации".
Излучение обычных лазерных устройств формируется в широком спектральном диапазоне, включая оптический. В искусственных атомах частота излучения лежит намного ниже частоты видимого света (в общем случае она зависит от размера энергетической щели сверхпроводника). Так, первое созданное устройство, где сверхпроводником служит пленка алюминия со сверхпроводящей щелью размером около 0,2 МэВ, работает на частоте около 0,01ТГц. Генераторы таких частот могут найти применение в компьютерах на основе сверхпроводящих элементов (в том числе и квантовых), так как легко сочетаются с ними. Если же использовать пленку из высокотемпературного сверхпроводника, то частота излучения может быть повышена на 1-2 порядка и попадет в терагерцовый диапазон. Этот диапазон представляет собой промежуточную область, труднодоступную как для классических способов генерации излучения, так и для квантово-оптических способов (лазеров). Вместе с тем с ее освоением связан целый класс крайне важных прикладных задач. Спектроскопия в ТГц-диапазоне может применяться в самых разных областях - от обнаружения взрывчатых, наркотических веществ и токсикантов до медицинской экспресс-диагностики по выдыхаемому человеком воздуху.
Комментирует руководитель отдела Высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Пудалов:
"Терагерцовый диапазон освоен слабо. И вот найден путь, как подойти к нему очень изящным способом. Уже лет пятнадцать назад физики научились создавать искусственные атомы и смотреть, как в них живет отдельный электрон, два электрона, три, многоэлектронная система. Но то была игра, теперь же получился работающий прибор. Это исключительный успех".
АНИ «ФИАН-информ»
