Холодные квантовые врата

Два года назад сотрудники Технологического университета Вены и их коллеги из Вюрцбургского университета получили ярко выраженный эффект Фарадея в тончайших пленках теллурида ртути (HgTe). Эффект назван в память о Фарадее, который впервые получил его при действии сильного магнитного поля на некоторые материалы, способные поворачивать ось поляризации света. Можно напомнить, что поляризация представляет собой смену направления оси колебания электрической составляющей света – например, с вертикальной на горизонтальную. Фотографы прекрасно знают поляризационные фильтры, поворот которых позволяет уменьшать количество света, поступающего на линзы объектива. На эффекте поляризации построены и 3D-очки.
Конструкторы и ученые мечтают построить оптический компьютер, который не будет греться в силу слабейшего взаимодействия фотонов друг с другом (в отличие от массивных электронов, которые буквально «расталкивают» атомы при своем прохождении, что увеличивает колебания последних и соответственно выделение тепла в силу сопротивления). Одним из возможных решений, предложенных исследователями из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета в конце июля 2012 года, было использование ВЕС в качестве фотонного «сита». В статье в журнале Nature они отметили, что сверхохлажденное атомное облако в каждый данный момент пропускает только один фотон, в силу квантовых закономерностей не давая проходить двум и более квантам света. Таким образом, был создан прообраз светового транзистора. Проблема заключалась, однако, в том, что ВЕС очень трудно поддерживать в «рабочем» состоянии. 

Неудивительно поэтому, что через два года напряженной работы Пименов и Астахов предложили эдакий многослойный сандвич из слоев не более 100 нанометров толщиной, один из которых представлен тем самым теллуридом ртути, обладающим изолирующими свойствами. Авторы сообщили в журнале Applied Physics Letters, что с помощью этого сандвича им удалось получить управляемый эффект Фарадея при комнатной температуре. Авторы подчеркнули, что тем самым они осуществили сугубо электрический контроль при неизменном магнитном поле. Это открывает новые перспективы в создании оптической «логики». 

Ученые воспользовались терагерцовым диапазоном, длины волн в котором достигают миллиметра (в отличие от волн видимого света, длина которых не превышает сотен нанометров). Этот инфракрасный диапазон используется в хорошо всем известных просветках систем безопасности в аэропортах (когда вас просят поднять руки в круглых камерах). Новая технология, как надеются авторы, позволит наконец-то создать оптический транзистор без необходимости глубокого охлаждения системы. Это тем более важно, что дальнейшее улучшение и усовершенствование электрических транзисторов просто невозможны в силу фундаментальных ограничений данной технологии. 

Ученые, работающие в Институте квантовой оптики в Вене, совместно с сотрудниками университета в Инсбруке предложили для решения проблемы также использовать одиночные фотоны. В своей статье в журнале Nature Photonics они описали результаты рассеяния фотона на ионе кальция (с массой 40 и 44). Ион кальция получает ничтожный удар («кик»), что приводит к ничтожному отклонению частицы. Величина колебания иона может меняться в зависимости от частоты лазерных фотонов. 

Пока ученым удалось достичь 12-процентной вероятности, или надежности, данного вида спектроскопии, но они надеются, что в ходе дальнейшей работы им удастся повысить разрешение данного метода исследований. Его преимуществом является то, что он не зависит от длины фотонной волны. Это позволит, например, определять различные энергетические состояния атомов и молекул. Новых сообщений из этой бурно развивающейся области квантовых исследований с нетерпением ждут дизайнеры будущих оптических и спинтронных чипов, а также нанотехнологи.