Школа молодых ученых по оптическим и фотоэлектрическим свойствам полупроводниковых квантовых систем «Оптика и фотоэлектрика квантовых систем» прошла с 8 по 9 ноября 2023 г. в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-72-30003).

Молодые учёные, аспиранты и студенты обсудили с опытными коллегами современные проблемы физики и технологии полупроводниковых структур в области оптических и фотоэлектрических свойств квантовых систем, а также представили собственные результаты исследований.

Участники Школы молодых ученых ОФКС в ИФП СО РАН

В число приглашенных докладчиков Школы вошли ведущие ученые, в том числе исполнители крупного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», поддержанного Минобрнауки России. Каждый доклад представлял обзор передовых научных достижений по разным темам, включая и новейшие результаты, полученные во время реализации крупного проекта.

Заседания Школы открыл председатель организационного комитета, член-корреспондент РАН заведующий лабораторией физики низкоразмерных электронных систем ИФП СО РАН Дмитрий Харитонович Квон с сообщением «Двумерные полуметаллы».

Ученые Института физики полупроводников обнаружили новые квантовые явления в транспорте электронов. Эффекты связаны с наблюдением и исследованием мезоскопических флуктуаций проводимости в двумерном полуметалле. Работа выполнялась в рамках крупного научного проекта, результаты опубликованы в журнале Nanomaterials.

«Наше наблюдение важно с точки зрения поиска новых квантовых эффектов, и оно свидетельствует о неизвестном до нашего эксперимента проявлении квантово-механических свойств электронов в твердом теле. Ранее мезоскопические флуктуации проводимости наблюдались только в образцах субмикронных размеров. Мы же обнаружили их в большом (макроскопическом) образце, размером более 100 микрон, причем только в двумерном полуметалле. В обычном металле явление отсутствует.

Почему так происходит? Мы предложили качественную интерпретацию: концентрация проводящих дырок в образце во много десятков раз больше концентрации электронов. В такой системе из-за сильного беспорядка появляются области, где электронов нет и области, где они существуют. Соответственно, возникает сетка электронных каналов в матрице проводящих дырок. Каналы усиливают явление квантовой интерференции и появление флуктуаций определяется уже не размерами системы, а характерным периодом сетки», — пояснил Дмитрий Харитонович.

Детектор одиночных фотонов

Заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Игорь Ильич Рябцев представил доклад «Квантовая информатика с одиночными атомами и фотонами». В частности, он рассказал о разработке ИФП СО РАН для оптоволоконных систем однофотонной квантовой связи и коммуникаций — детекторе одиночных фотонов (однофотонном лавинном фотодиоде, ОЛФД).

Устройство позволяет регистрировать единичные фотоны, и, соответственно, принимать, закодированную в их квантовом состоянии информацию. Преимущество квантовой связи заключается в том, что канал передачи ключа для дешифровки данных — закрытый, и при этом скопировать передаваемую по нему информацию и остаться незамеченным невозможно, т.к. изменится квантовое состояние фотона, что будет зафиксировано участниками. Создание высокоэффективного детектора одиночных фотонов — одна из самых трудоемких частей всего процесса разработки квантовых линий связи и их компонентов.

«В процессе реализации проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», ученые ИФП СО РАН доработали разработанную ранее конструкцию ОЛФД, получили патент на одну из ключевых технологических операций — легирование цинком. Такой технологический этап в нашей стране в настоящее время могут осуществить только в ИФП СО РАН», — отметил Игорь Рябцев.

На сегодняшний день в мире существует три производителя детекторов одиночных фотонов, основной – компания Wooriro из Южной Кореи, два других — в Италии и в Гонконге. В России запрос на развитие каналов связи, использующих квантовое шифрование, есть от банковской сферы, от ряда других отраслей, где критически важна безопасная передача данных. Поэтому крайне востребована отечественная компонентная база.

«У детектора одиночных фотонов есть две ключевых характеристики — темновой ток и фоточувствительность. Научной группе в ИФП СО РАН удалось получить хорошие показатели темнового тока — он низкий, его характеристики на уровне тех, что демонстрируют мировые производители. Сейчас идет работа над улучшением фоточувствительности. Вместе с технологическим партнером будет проведено корпусирование, после этого — тестирование образцов уже в корпусе. Такой детектор — уникальное изделие, в России их не делает никто. Квантовые коммуникации в нашей стране активно развивает ОАО “РЖД”, на сегодняшний день потребность можно оценить примерно в 1000 штук в год».

Работы по созданию детектора одиночных фотонов в ИФП СО РАН были инициированы Игорем Ильичем Рябцевым, разработка конструкции и проведение измерений выполнены ОЛФД к.ф.-м.н. Игорем Борисовичем Чистохиным, выращивание полупроводниковых гетероструктур проводилось методом молекулярно-лучевой эпитаксии в лаборатории под руководством к.ф.-м.н. Валерия Владимировича Преображенского, изготовление ОЛФД на технологической линии A3B5 — под руководством заведующего молодежной лабораторией ИФП СО РАН к.ф.-м.н. Максима Сергеевича Аксенова, первичное тестирование экспериментальных образцов осуществлялось в лаборатории нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН.

Курс лекций двухдневной Школы состоял из десяти докладов разнообразной тематики. Названия некоторых из них: «Поглотители на основе черных металлов: морфология, электрические и оптические свойства», «Универсальная память: миф или будущее?», «Фототоки, индуцированные структурированным излучением», «Магнитный вейлевский полуметалл: поверхностные состояния в транспортных экспериментах».

Приглашенными докладчиками стали ведущие ученые ИФП СО РАН, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург), Института физики твердого тела (Черноголовка).

В мероприятии приняли участие более 40 молодых ученых — студенты и аспиранты Новосибирского государственного университета, Томского государственного университета, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Всего конференция собрала более 60 слушателей.

Материал процитирован в СМИ: «Поиск», «Научная Россия», «Индикатор», «Наука в Сибири», «Время Электроники»

Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото В. Трифутина