• Русский

Ученые КФУ выявили новые возможности оптической и микроволновой спектроскопии

Полученный в ходе выполнения проекта опыт будет использован, в том числе, для изучения строения сложных надмолекулярных структур тяжелой нефти и битумов, создания принципиально новой аппаратуры для скважинной разведки месторождений полезных ископаемых.

До сих пор среди людей жив стереотип, что квантовые технологии – это нечто из области невероятного и доступного только крупнейшим научным центрам.  Сегодня человечество уже легко располагает большим числом технологий, особенно интересна среди них процедура сканирования в магнитно-резонансном томографе, принцип работы которого основан на явлении ядерного магнитного резонанса.

 «Магнитные моменты, связанные с ядерными спинами протонов 1H и изотопа углерода 13С, выступают в роли своеобразных сенсоров, крайне чувствительных к различного рода патологиям. Возможность управления и считывания квантовых спиновых состояний и лежит в основе квантовых технологий, бурное развитие которых наблюдается с середины прошлого века», – рассказывает доцент института физики КФУ и ведущий научный НИЛ «Реологические и термохимические исследования» Сергей  Орлинский.

Одним из перспективных направлений развития таких технологий заключается в использовании кристаллических матриц с оптически активными спиновыми центрами, позволяющими конвертировать электронные и ядерные спиновые состояния в оптический квант. Реализация ряда проектов по данной тематике в России, США и Европе уже позволило создать приборы квантовой криптографии, квантовые сенсоры субмикронного пространственного разрешения. Используются трехмерные (3D) кристаллические матрицы, такие как алмаз или карбид кремния. Сегодня же новой и крайне актуальной задачей для научного сообщества всего мира является получение и исследование принципиально отличных от 3D-матриц систем, а именно двумерных (2D) кристаллов с ван-дер-ваальсовым (вдВ) взаимодействием.

«В отличие от 3D-кристаллов, атомы в вдВ-материалах связаны прочными плоскостно-тригональными сигма-связями, в то время как сами слои связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Разрывая слабое вдВ взаимодействие, удаётся получать материалы толщиной всего в один атом!», – сообщил ученый.  

В поисках решения амбициозной технической задачи,  ученые КФУ применили методы оптической и микроволновой спектроскопии (спектроскопии ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов) и продемонстрировали возможность оптической поляризации и считывания электронных спиновых центров окраски в нитриде бора (hBN). Работа была проведена совместно с немецкими и австралийскими коллегами и опубликована в один из самых авторитетных общенаучных журналов Nature.

«При комнатных температурах был реализован когерентный контроль заселенностей оптически поляризованных триплетных подуровней центра и предложена микроскопическая модель этого центра – вакансия бора в отрицательном зарядовом состоянии», – отметил Сергей Орлинский.

Полученные результаты демонстрируют¸ что вдВ-материалы могут использоваться в качестве новой платформы для дальнейшего развития квантовых технологий на принципиально новом (атомарном) масштабе миниатюризации, что однозначно станет новым шагом вперед мировой квантовой науки.

Однажды, квантовые технологии  уже перевернули привычную реальность: именно они подарили миру смартфоны, сверхплоские телевизоры и современную электронику. Всё это дало начало первой квантовой революции – с ней мир получил транзисторы, лазеры, интегральные микросхемы и новые виды связи, например, мобильную, без которой уже никто не представляет свою дальнейшую жизнь. Что принесет вторая квантовая революция – нам еще предстоит выяснить, но уже понятно, что она станет новой эрой решения сложнейших задач, что пока ещё недоступны самым мощным суперкомпьютерам классического типа.