Как известно, испускание света возбужденными атомами происходит спонтанно, т.е. случайным образом. Этого требуют законы квантовой механики. Однако еще в 1987 году американский физик Эли Яблонович (Eli Yablonovitch) теоретически предсказал, что этот процесс можно взять под полный контроль с помощью фотонных кристаллов. Умение контролировать испускание света атомами имело бы огромное значение в науке и технологии, в частности, как инструмент управления квантовыми оптическими системами, а также в производстве миниатюрных лазеров для дисплеев и средств связи, в солнечных батареях и даже в квантовых компьютерах будущего.

И вот, согласно сообщению в первом августовском номере журнала Nature (Vol. 430, Р. 654-657, 5.08.2004), группе голландских ученых под руководством Питера Лодаля (Peter Lodahl) из университетов Твенте и Утрехта удалось с помощью фотонных кристаллов взять процесс эмиссии света под контроль.

Фотонные кристаллы представляют собой упорядоченные структуры, образованные маленькими пустотами, которые отражают свет необычным образом, подобно перламутру или опалу. Для эксперимента были использованы особые фотонные кристаллы, известные как "инверсные опалы".

Они готовились путем выращивания искусственных опалов из маленьких пластиковых сфер с последующим заполнением пространства между сферами твердым материалом и удалением опала. Расстояние между сферическими пустотами варьировалось от 240 до 650 нм. Пустоты затем заполнялись коллоидными частицами полупроводника селенида кадмия, диаметр которых составлял всего 4,5 нм и которые вели себя подобно "искусственным атомам".

Эти "искусственные атомы" переводились в верхнее энергетическое состояние с помощью лазерного импульса. При обычных условиях они переходили бы в основное состояние спустя некоторый усредненный промежуток времени. Однако оказалось, что в фотонном кристалле момент испускания фотона можно произвольно задерживать или, наоборот, ускорять, в соответствии с теоретическим предсказанием 17-летней давности.

Для приложений важны как задержка момента эмиссии, так и его ускорение. Так, фотонные кристаллы с задержкой эмиссии могут быть использованы в солнечных батареях, так как, будучи своеобразными накопителями энергии, будут уменьшать энергопотери и увеличивать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотонные кристаллы с ускоренной эмиссией весьма перспективны в производстве светоизлучателей высокой эффективности (минилазеров и светодиодов), так как испускают большее число фотонов в единицу времени. Кристаллы с оптимизированной эмиссией нужны для создания источников единичных фотонов, необходимых для квантово-информационного процессинга: от квантовой криптографии до, собственно, квантовых вычислений.

Пресс-релиз: tn.utwente.nl/cops/output/3_h_lifetime_en.html. Текст статьи можно скачать отсюда: tn.utwente.nl/cops/pdf/04/nature02772.pdf, а отсюда: tn.utwente.nl/cops/education/5_pb_emission_en.html - анимации процессов эмиссии свободных атомов и атомов в фотонных кристаллах.

Сергей САНЬКО