Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) впервые в мире продемонстрировали усиление интенсивности и скорости излучения квантовых точек. По словам авторов, их разработка в перспективе может решить одну из ключевых проблем в создании квантового компьютера и одновременно вывести биомедицинский мониторинг на новый уровень. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Optics Express.

Квантовые точки — это низкоразмерные флуоресцентные наноструктуры, перспективные для применения в области взаимодействия между светом и веществом. Они способны поглощать свет в широком диапазоне, а излучать — в узком интервале длин волн, который определяется размерами нанокристалла, то есть та или иная квантовая точка «светится» строго определенным цветом. Эти свойства квантовых точек делают их практически идеальным средством для сверхчувствительной многоцветной регистрации биологических объектов, а также для медицинской диагностики.

Сферы применения квантовых точек — от осветительных приборов и солнечных батарей до кубитов для квантовых вычислений. Они превосходят традиционные люминофоры по фотостабильности и яркости. Дисплеи на квантовых точках могут обеспечить гораздо более высокие, чем у других технологий, яркость, контрастность и более низкое энергопотребление.

Исследователи Лаборатории нано-биоинженерии (ЛНБИ) Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ впервые продемонстрировали усиление как интенсивности, так и скорости спонтанного излучения полупроводниковых квантовых точек в фотонных структурах на основе пористого кремния.

Полученные результаты представляют новый подход к контролю спонтанного испускания люминесценции путем изменения локального электромагнитного окружения люминофоров в пористой матрице, что открывает перспективы новых приложений в биосенсинге, оптоэлектронике, криптографии и квантовых вычислениях.

Прежде всего, разработанные системы могут служить отличной основой для создания компактных флуоресцентных биосенсоров в формате иммуноферметного анализа, широко распространенного в клинической практике. Применение именно квантовых точек с усиленной фотонным кристаллом флуоресценцией позволит существенно повысить чувствительность анализа, что сделает возможной раннюю диагностику заболеваний, когда содержание биомаркеров заболевания в крови пациента невелико, и облегчит мониторинг лечения пациентов.

Кроме того, разработка может служить основой новой элементной базы для оптических компьютеров или криптографических систем, заменив собой громоздкие источники единичных фотонов или оптические логические элементы. В этой области, помимо компактности и простоты, применение новых систем позволит решить одну из ключевых задач отрасли — получение единичных или квантово запутанных фотонов «по запросу» (on-demand), что сегодня практически неосуществимо.

Запутанные фотоны — пара частиц, которые находятся в скоррелированных квантовых состояниях, — играют в современной физике очень важную роль. Без запутанных пар практически невозможно реализовать квантовую связь и квантовую телепортацию, а также построить квантовые компьютеры, соединенные с квантовым интернетом. В случае появления квантового компьютера принципы целого ряда областей — молекулярного моделирования, криптографии, искусственного интеллекта — могут полностью измениться.

Полученный учеными НИЯУ МИФИ результат стал возможен благодаря использованию техники глубокого окисления фотонных кристаллов, что позволило подавить тушение люминесценции, а также уменьшить потери энергии на поглощение.

«Для усиления люминесценции подобных структур используют различные методы, среди которых особый интерес представляет использование фотонных кристаллов. Периодическое изменение показателя преломления в фотонном кристалле позволяет добиться локального увеличения плотности фотонных состояний, благодаря чему наблюдается эффект усиления интенсивности и скорости спонтанного излучения люминофоров», — рассказал сотрудник ЛНБИ НИЯУ МИФИ Павел Самохвалов.

Для изготовления фотонных кристаллов широко применяется пористый кремний, который выгодно отличается от других материалов возможностью точного контроля показателя преломления, простотой изготовления, а также сорбционной способностью.

Однако до настоящего момента исследователи не могли добиться увеличения скорости излучательной релаксации люминофоров в фотонных кристаллах из пористого кремния из-за значительного тушения люминесценции при контакте с поверхностью кремния.