Ученые из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) в кооперации с исследователями из Томского государственного университета, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН впервые в мире продемонстрировали алмазный лазер на NV-центрах при оптической накачке. Полученный результат имеет широкие перспективы для создания квантовых сенсоров и компьютеров, для развития квантовых вычислений и коммуникаций. Статья об этом была опубликована в журнале Nature Communications.

NV^– diamond laser

For the first time, lasing at NV⁻ centers in an optically pumped diamond sample is achieved. A nanosecond train of 150-ps 532-nm laser pulses was used to pump the sample. The lasing pulses have central wavelength at 720 nm with a spectrum width of 20 nm, 1-ns duration and total energy around 10 nJ. In a pump-probe scheme, we investigate lasing conditions and gain saturation due to NV⁻ ionization and NV⁰ concentration growth under high-power laser pulse pumping of diamond crystal.
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27470-7

Для создания прибора необходим высококачественный синтетический алмаз. Драгоценный камень природного происхождения не подойдет: от такого алмаза нельзя добиться повторяемости свойств, необходимой для стабильной работы лазера. Поэтому нужен минерал искусственного происхождения, который подвергся радиационно-термической обработке, после чего в его кристаллической структуре образовался ряд центров окраски, стойких к лазерному излучению.

Scheme of a pump-probe experiment for registration of stimulated emission from the diamond sample. We employed transverse probe configuration in which the sample was placed perpendicularly to the probe beam (inset 1) and longitudinal probe configuration in which probe beam was going along the diamond parallel to sample side surfaces (inset 2).

Первостепенное значение для квантовых технологий имеют так называемые NV-центры (один из центров окраски в алмазе). Как поясняет старший научный сотрудник группы углеродной электроники и фотоники ИСЭ СО РАН, доцент кафедры квантовой электроники и фотоники ТГУ кандидат физико-математических наук Евгений Игоревич Липатов, это такие дефекты структуры в алмазе, которые состоят из одного атома азота (N) и соседнего вакантного, не занятого атомом углерода узла решетки (V). Он-то и сможет в будущем стать кубитом — аналогом бита для квантового компьютера, с помощью которого будут выполняться алгоритмы квантовых вычислений.

Попытки добиться лазерного излучения от центров окраски в алмазах безуспешно велись несколько десятков лет, поэтому полученный результат стал настоящим прорывом. Усиленное нетепловое свечение вещества и генерация лазерного излучения достигнуты в синтетических алмазных образцах, которые содержат до 10 NV-центров и до 300 атомов азота на один миллион атомов углерода. Импульсное свечение алмазных кристаллов наносекундной длительности наблюдалось в красной области спектра при накачке лазерным излучением в зеленой и оранжевой областях спектра. Ученым удалось добиться энергии лазерного импульса до 48 микроджоулей при коэффициенте полезного действия до 1 % (таков в среднем КПД работы лазеров разного типа). Сейчас ведется процедура патентования изобретения.

а Resonator scheme of the NV^— color centers diamond laser. b, с Beam profiles at a distance of 200 mm from the resonator mirrors. d Calculated transverse mode radius w_T and sagittal mode radius w_S along the resonator (intensity e⁻² level).

В ИСЭ СО РАН прорабатывается вопрос об открытии нового подразделения — лаборатории углеродной электроники и фотоники. Уже сейчас имеется приличный задел: это команда молодых специалистов под руководством Е. Липатова, в которой задействованы и студенты базовой кафедры ТГУ. Начато также создание экспериментальной станции научного оборудования для полного цикла работы с алмазами, чтобы исключить зависимость от внешних поставщиков. Исследователям необходимо приобрести пресс стоимостью около 50 миллионов рублей — он применяется для производства алмазов, с его помощью создаются все требуемые для этого условия: высокие давление и температура.

Ученые основали стартап — ООО «Высокотехнологичные алмазные устройства». Директором инновационной компании стал Евгений Липатов. Он рассказал о том, что же планируется сделать: «Мы будем разрабатывать коммерчески востребованный на рынке продукт — алмазный лазер, способный генерировать излучение при протекании электрического тока. Говоря иными словами, устройство, способное работать от розетки. Планируется также развивать направление, связанное с созданием квантовых сенсоров магнитного поля».

По мнению ученого, одна из важнейших задач — это развитие тематики, связанной с применением лазерного излучения на центрах окраски в алмазе, для создания оптических и квантовых компьютеров. «Квантовые вычисления имеют вероятностную природу и строятся по принципу многократного повторения одной и той же операции, — пояснил Е. Липатов. — Когда кубиты обладают разной структурой (содержат большое число атомов), это негативно сказывается на реализации квантового алгоритма, так как начинают накапливаться ошибки. Избежать этого можно, в том числе используя кубиты на основе NV-центров, состоящих из одного атома, что исключает возникновение погрешностей». Специалист уверен, что развитие углеродной электроники и квантовых технологий — вычислений, криптографии и сенсорики — может вывести Россию на лидирующие позиции в мире и является одной из приоритетных задач развития науки.

Источник: https://www.sbras.info/news/almaznyy-lazer-dlya-kvantovykh-tekhnologiy