Возможности оптической фотолитографии ограничиваются дифракционными эффектами и, казалось бы, нельзя, работая со светом с определенной длиной волны, преодолеть принципиальные ограничения. На самом деле классический предел может быть преодолен при использовании квантовой природы запутанных многофотонных состояний. В идеале минимальная ширина N-фотонной дифракционной картины будет в N раз меньше соответствующей классической величины. Об экспериментальном наблюдении двухфотонной дифракции говорится в недавней работе ученых из Балтимора.
Для начала стоит пояснить, что подразумевается под словами "запутанное состояние". В простейшем случае речь идет о системе, состоящей из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы. Для такого запутанного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако, если мы произведем измерение над одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то мы с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы.
Принципиальную основу эксперимента, проведенного в [1], можно пояснить на примере следующего мысленного эксперимента (рис.1a). В области V генерируются пары запутанных фотонов такие, что фотоны в каждой паре распространяются в противоположных направлениях в горизонтальной плоскости. Детекторы, синхронно перемещаемые вдоль оси X, регистрируют приход фотонов, причем система регистрации устроена таким образом, что регистрируется только совпадения в срабатываниях отдельных детекторов. Аналогом классической интенсивности служит частота одновременного срабатывания двух детекторов. Расчеты для двуфотонной дифракции показывают, что ширина основного дифракционного максимума должна быть в два раза меньше, чем в классическом случае.
Если немного изменить схему эксперимента (рис.1b), то можно наблюдать двухфотонную дифракцию на двух щелях, для которой будет характерна частота модуляции, аналогичная той, что была бы в классическом случае для дифракции на двух щелях света с в два раза меньшей длиной волны (рис.2). Схема реального эксперимента несколько отличалась от вышеизложенного (фотоны летели в одном направлении). Генерация пар происходила посредством спонтанной параметрической конверсии с понижением частоты, происходящей при освещении лучом аргонового лазера кристалла BaB2O4. Рождающиеся фотоны имели частоты, равные половине частоты падающего фотона, и взаимно перпендикулярные направления поляризации, что позволяло фиксировать факт одновременной детекции именно фотонов с разной поляризацией (на пути луча стоял светоделитель).
Заменив детекторы пленкой, чувствительную только к двухфотонному "освещению", в принципе можно реализовать двухфотонную литографию. Однако, хотя наблюдаемое явление двухфотонной дифракции красиво само по себе и демонстрирует принципиальную возможность квантовой многофотонной литографии, стоит заметить, что вряд ли оно сулит большие практические перспективы. Практическую выгоду могла бы дать работа с N-фотонными запутанными состояниями при большом N, однако реализовать такое состояние и подобрать чувствительные материалы будет, мягко говоря, не просто.
1. Milena D'Angelo, Maria V.Chekhova, and Yanhua Shih. Phys.Rev.Lett. v.87, 013602-1 (2001).
Рис.1. Схема мысленного эксперимента.
Рис.2. Экспериментально наблюденная (a) интерференционно-дифракционная картина для двухфотонной дифракции на двух щелях и (b) классическая интерференционно-дифракционная картина для света с той же длиной волны, полученная на той же установке; сплошная линия - расчет, точки - эксперимент.