Візьміть матеріал, тонший за людську волосину в десять тисяч разів. Покладіть на нього другий такий самий шар. І поверніть верхній на кілька градусів ледь помітний нахил, яким ви б нехтували, збираючи стопку паперу. Звучить як фокус із шкільного фізичного гуртка. Але саме цей «фокус» відкриває двері в епоху, де компютери рахуватимуть швидше за світло, а лікарі діагностуватимуть хвороби на рівні окремих молекул.
Дослідники з Університету технологій Сіднея зробили відкриття, яке перевертає уявлення про керування квантовими системами. Вони довели: просте скручування атомарних шарів гексагонального нітриду бору матеріалу, відомого в наукових колах як hBN дозволяє кардинально змінювати колір і довжину хвилі світла, що випромінюється квантовими емітерами. Причому зміна настільки значна, що її легко фіксувати стандартним спектроскопічним обладнанням, яке раніше реєструвало лише мізерні, ледь вловимі зрушення.
Результат опублікований 20 червня 2026 року в авторитетному журналі Science Advances. Міжнародна команда на чолі з доктором Ангусом Гейлом та професором Ігорем Агароновичем продемонструвала, що природа заховала потужний інструмент керування квантовим світлом у найпростішому жесті повороті одного шару відносно іншого.
Але чому саме механічний поворот впливає на світло, яке випромінює мікроскопічний дефект? Секрет у взаємодії електронних полів двох шарів, яка змінює енергію, необхідну для випуску фотона. Змінити кут означає переналаштувати цю енергію так само легко, як повернути головку радіоприймача.
Проблема, яку не могли вирішити десятиліттями
Квантові емітери це мікроскопічні дефекти в кристалічній решітці, здатні випускати по одному фотону за раз. Такі «квантові лампочки» ключові будівельні блоки для квантових компютерів, систем ультраточної навігації та захищеного звязку, який неможливо перехопити чи зламати класичними методами. Проблема в тому, що досі їх було надзвичайно важко «настроїти» так, щоб вони працювали синхронно та стабільно.
«Ви можете виміряти ці квантові емітери й побачити, що вони існують, пояснює доктор Ангус Гейл, провідний автор дослідження. Але змусити їх працювати на практиці справжній виклик. Це дає нам важіль наблизитися до мети. Крок до реалізації квантових технологій».
Традиційні матеріали, такі як діамант або карбід кремнію, нагадують монолітний блок сиру: ви отримуєте те, що є, і не можете швидко підправити властивості на ходу. Якщо емітер випромінює не той колір або працює не на тій частоті доводиться витрачати місяці на складну інженерію дефектів або шукати інший зразок серед тисяч. Це гальмує прогрес і робить квантові пристрої невимовно дорогими.
Секрет у сирних слайсах
Тут гексагональний нітрид бору виявився не схожим на жоден попередник. Його структура складається з окремих шарів атомів бору та азоту, які тримаються разом слабкими міжмолекулярними силами як стопка тонких сирних слайсів замість цілого бруска.
«З бруском сиру ви не дістанете смаку серединки, порівнює Гейл. А зі слайсами можна знімати шари, складати їх назад і змінювати, як вони взаємодіють».
Завдяки цій унікальній будові команда з Сіднея змогла багаторазово підіймати, повертати й перекладати шари hBN за допомогою мікроскопічних маніпуляторів. Кожен новий кут між площинами змінював електричне поле навколо дефектів у матеріалі і разом із тим характеристики випроміненого світла. Дослідники не намагалися змусити дефекти hBN поводитися як традиційні твердотільні системи. Навпаки вони використали природну силу матеріалу: його тонку, шарувату, скручувану структуру, яку сформувала природа мільярди років тому.
- Гексагональний нітрид бору (hBN) двовимірний матеріал, іноді названий «білим графеном», із шестикутною решіткою атомів бору та азоту
- Квантовий емітер точковий дефект у кристалі, який випускає окремі фотони з когерентними властивостями, необхідними для квантових обчислень
- Кут скручування кут між кристалографічними осями двох сусідніх шарів, який визначає їхню електронну взаємодію
- Зрушення емісії зміна довжини хвилі випроміненого світла, яке вдалося збільшити в рази порівняно з попередніми методами
Чому це працює краще за все, що було раніше
Під час експериментів зрушення довжини хвилі виявилося настільки значним, що воно перевершило всі очікування команди. Раніше вчені створювали пристрій під певним кутом і залишали його незмінним назавжди. Австралійська команда пішла далі: вони продемонстрували повторювану, оборотну модифікацію властивостей підняли шар, повернули, поклали, поміряли, а потім зробили це знову.
«Коли ви контролюєте такі системи, ступінь маніпуляції зазвичай дуже обмежений, каже Гейл. Але в цьому випадку зрушення було набагато більшим, ніж очікувалося».
Це відкриває принципово новий підхід до проєктування квантових пристроїв. Замість того щоб виготовляти сотні зразків з різними параметрами й сподіватися, що один спрацює, інженери можуть взяти один шаблон і просто «настроїти» його скручуванням як радіоприймач налаштовують на потрібну хвилю. Економія часу та ресурсів вимірюється роками досліджень і мільйонами доларів.
Від лабораторії до лікарні
Наставник команди, професор Ігор Агаронович, впевнений: здатність скручувати шаруваті матеріали особливо захоплива, бо вона відкриває зовсім нову фізику, яку неможливо передбачити з властивостей окремих шарів.
«Ви берете два шари, які самі по собі нічого не роблять, кладете їх під певним кутом і раптом маєте абсолютно іншу систему».
За його словами, результати дослідження можуть прискорити розвиток кількох перспективних напрямків. По-перше, квантові компютери, які розвязуватимуть завдання, недоступні сучасним суперкомпютерам від моделювання нових ліків до оптимізації логістики та штучного інтелекту. По-друге, квантовий звязок, який гарантує абсолютну конфіденційність передачі даних між банками, урядовими установами та медичними центрами. По-третє, ультрачутливі сенсори для діагностики, екології та навігації.
«Ці матеріали зрештою можна буде використовувати для квантових обчислень, комунікацій і квантового зондування, пояснює Агаронович. Це допоможе в охороні здоровя, кібербезпеці та покращенні GPS. Ми отримуємо більше контролю над будівельними блоками, необхідними для досягнення цих цілей».
Що далі
Поки що експерименти проводилися на зразках розміром у кілька мікрометрів менші за попелянку. Наступний крок інтеграція цієї технології в реальні чипи та оптичні схеми, які можна масово виробляти. Дослідники планують вивчити, чи можна досягти ще більшого зрушення, комбінуючи більше двох шарів або додаючи електричне поле як додатковий «регулятор».
Якщо масштабування вдасться, наслідки будуть вражаючими. Квантові сенсори на базі hBN зможуть вимірювати магнітне поле однієї нервової клітини, даючи нейровченим інструмент точності, недоступний досі. Квантові мережі забезпечать захищений звязок між континентами без жодної можливості перехоплення. А квантові процесори нарешті вийдуть за межі лабораторій IBM і Google у повсякденне життя бізнесу та науки.
І все це завдяки матеріалу, який можна зняти звичайним скотчем і повернути на кілька градусів.
Природа створила цей «гаджет» мільярди років тому.
Люди лише починають його копіювати.
Про автора
