W informatyce kwantowej i kryptografii kwantowej mogą znaleźć zastosowanie struktury półprzewodnikowe o grubości pojedynczych warstw atomowych. Ich nowe unikalne właściwości poznali fizycy m.in. z Polski. Struktury te (podobnie jak grafen z grafitu), wydziela się z innego materiału warstwowego: dwuselenku wolframu.
Pojedyncza, atomowej grubości warstwa materiału może mieć inne właściwości niż cały wielowarstwowy kryształ – wiadomo o tym nie od dziś. Andre Geim i Konstantin Novoselov potwierdzili to bezsprzecznie w przypadku pojedynczej warstwy atomów węgla (grafenu) odszczepionej z grafitu. M.in. dzięki temu badacze ci otrzymali Nagrodę Nobla w 2010 r.
„Grafenem od razu wszyscy się zachwycili. Ale i z innych materiałów próbowano wydzielać pojedyncze warstwy. Wśród nich jest pewna klasa materiałów, którymi zajmujemy się w naszych badaniach. To tzw. dichalkogenki metali przejściowych” – mówi jeden z autorów badań, Marek Potemski, który kieruje grupą „Półprzewodniki i Nano-fizyka” we francuskim Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych CNRS. Precyzuje, że wśród materiałów, które budzą spore nadzieje są związki półprzewodnikowe, takie jak, dwusiarczki i dwuselenki wolframu i molibdenu. W szczególności, ich specyficzne własności elektronowe inspirują alternatywny kierunek w spintronice, znany jako dolinotronika.
Jeden z autorów badań, Maciej Koperski z Uniwersytetu w Grenoble i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego komentuje: „Ludzie próbują znaleźć alternatywy dla elektroniki, która jest oparta na układach logicznych binarnych, zero-jedynkowych. W dużym uproszczeniu, przyszłe rozwiązania, takie jak spintornika, mogłyby wykorzystywać cale spectrum wartości miedzy zerem a jedynką i podobnie można by myśleć o dolinotronice w odniesieniu do materiałów których dotyczą nasze badania”. Przyznaje, że zastosowania źródeł pojedynczych fotonów mogą w przyszłości dotyczyć zapisywania danych przy użyciu światła i ich przesyłaniu w sposób niedostępny dla intruzów.
W najnowszych badaniach – opublikowanych w „Nature Natotechnology” – fizycy, m.in. z Polski, pokazali nowe unikalne cechy cienkich warstw dwuselenku wolframu. Co więcej, ich odkrycie jest zgodne z wynikami trzech innych prac, opublikowanych w tym samym numerze „Nature Nanotechnology”. Wszystkie cztery prace zgodnie wykazują, że warstwy te dzięki swoim szczególnym cechom mogą znaleźć zastosowanie np. w kryptografii kwantowej czy przy pracach nad komputerem kwantowym.
Dwuselenek wolframu to kryształ, który wygląda trochę jak grafit. „Podobnie jak w przypadku izolowania grafenu, trzeba się nieźle napracować, żeby z kawałka dwuselenku wolframu oddzielić pojedynczą warstwę wysokiej jakości” – przyznaje Marek Potemski. Jednak wcześniejsze badania pokazują że warto. Wiadomo już bowiem, że pojedyncza warstwa półprzewodnikowych dichalkogenków nabiera cech półprzewodnika z prostą przerwą energetyczną, a to oznacza, że łatwo emituje światło.
Fizycy (w badaniach oprócz Marka Potemskiego i Macieja Koperskiego brał udział m.in. Piotr Kossacki z FUW) pokazali jednak, że proces emitowania światła na brzegach płatków dwuselenku wolframu może przebiegać w pewien szczególny sposób – w tym samym momencie wyświecany jest tylko jeden foton, a nie wiele fotonów jednocześnie. „Takie źródła światła są poszukiwanym elementem w informatyce kwantowej, w szczególności w kryptografii” – komentuje Marek Potemski i wyjaśnia, że w informatyce kwantowej operacje wykonuje się właśnie na pojedynczych fotonach.
Źródła pojedynczych fotonów związanych z dwuselenkiem wolframu dołączają teraz do klasy innych tego typu źródeł, takich jak pojedyncze molekuły, niektóre defekty w diamencie, kropki kwantowe, nanokryształy. „Znanych jest dużo obiektów, ale spodziewamy się, że nasze emitery pojedynczych fotonów mają specyficzne własności odziedziczone po warstwach grubości atomowej” – przyznał Koperski.
Identyfikacja źródeł pojedynczych fotonów w warstwach dwuselenku wolframu otwiera przed naukowcami nowe możliwości. Duże zainteresowanie wywołują obecnie tzw. heterostruktury van der Waals’a, warstwy o grubości atomowej nałożone na siebie jedna za drugą, kolejne zbudowane z materiałów o odmiennych własnościach. Taka wielowarstwowa struktura, z elementami w postaci różnych półprzewodników, izolatorów, metali i półmetali byłaby urządzeniem wielofunkcyjnym. Np. jedna warstwa działałaby jako źródła światła, inna mikrofal, jeszcze inna jako detektor lub sensor, a w świetle najnowszych prac, jeszcze inna jako źródło pojedynczych fotonów. Co istotne, wszystko to razem miałoby rozmiary mikroskopijne.
„Na świecie, i w szczególności w Europie prace nad grafenem są już bardzo zaawansowane. Oczekuje się, że projektowane będą działające urządzenia. Natomiast prace nad innymi materiałami warstwowymi – w tym nasze prace – są w fazie badań podstawowych” – zaznacza Marek Potemski.
”Chociaż coraz więcej wiadomo o materiałach, które mogłyby być użyteczne w kwantowej informatyce i kryptografii, to na konstrukcję użytecznego komputera kwantowego trzeba będzie pewnie jeszcze zaczekać wiele lat” – dodaje.
Źródło: Nauka w Polsce
