Pojedyncze fotony z ZnPS₃ udało się zaobserwować międzynarodowemu zespołowi z udziałem fizyków Uniwersytetu Warszawskiego. Jak informuje redakcja TopFlop, badacze wykorzystali warstwowy kryształ trójsiarkofosforku cynku, a pomiary i obliczenia wskazują, że za kwantową emisję najprawdopodobniej odpowiadają pojedyncze braki atomów fosforu w sieci krystalicznej. Praca Natalii Zawadzkiej, Dmitriego Litvinova, Stana Kwasta, Denisa Baranova, Maltego Rösnera, Macieja R. Molasa, Macieja Koperskiego i Magdaleny Grzeszczyk ukazała się 16 czerwca 2026 roku w „ACS Nano”.
- Co dokładnie odkryli naukowcy w krysztale ZnPS₃
- Jeden foton zamiast przypadkowego pakietu światła – dlaczego to ma znaczenie
- Defekt kryształu nie jest problemem – może być źródłem fotonu
- Dlaczego właśnie materiały dwuwymiarowe są interesujące
- 20 kelwinów: największa bariera przed praktycznym zastosowaniem
- Od ZnPS₃ do magnetycznych emiterów kwantowych
- Gdzie pojedyncze fotony mogą znaleźć zastosowanie
- Kto prowadził badania i kto je finansował
- Co odkrycie oznacza dzisiaj, a czego jeszcze nie oznacza
- Pytania i odpowiedzi
To nie jest jeszcze gotowe źródło światła do domowego urządzenia czy komercyjnej sieci kwantowej. Eksperymenty prowadzono przy bardzo niskiej temperaturze około 20 K, czyli około –253°C, ale sam fakt potwierdzenia emisji pojedynczych fotonów w nowej rodzinie materiałów MPX₃ rozszerza katalog kryształów, z których w przyszłości mogą powstawać elementy fotoniki kwantowej. ZnPS₃ ma przy tym cechę praktyczną: tworzy cienkie, warstwowe płatki, które można integrować z miniaturowymi układami fotonicznymi, światłowodami i chipami krzemowymi.
Co dokładnie odkryli naukowcy w krysztale ZnPS₃
ZnPS₃, czyli trójsiarkofosforek cynku, należy do rodziny warstwowych materiałów MPX₃. W zapisie tym M oznacza metal, P – fosfor, a X – chalkogen, którym w przypadku badanego związku jest siarka. Materiał jest niemagnetycznym półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej wynoszącej około 3,63 eV. Badacze analizowali cienkie płatki ZnPS₃ o grubości rzędu kilkudziesięciu nanometrów i rozmiarach bocznych sięgających kilkudziesięciu mikrometrów.
Po oświetleniu próbki laserem pojawiała się fotoluminescencja, ale nie była rozłożona równomiernie. Szczególnie intensywne punkty występowały w wybranych lokalizacjach materiału, między innymi w pobliżu krawędzi oraz obszarów pofałdowanych. To skierowało uwagę zespołu na defekty sieci krystalicznej jako możliwe źródła emisji.
Autorzy nie ograniczyli się do obserwowania świecenia próbki. Zastosowali między innymi mikroskopię sił atomowych, spektroskopię fotoluminescencyjną w niskiej temperaturze, spektroskopię ramanowską oraz pomiary korelacji drugiego rzędu. Te ostatnie są kluczowe, ponieważ pozwalają odróżnić zwykłe źródło słabego światła od emitera o charakterze kwantowym.
Wyniki pomiarów wykazały wąskie i stabilne linie optyczne zlokalizowane w określonych miejscach próbki. Korelacje fotonów potwierdziły, że badane centra zachowują się jak emitery pojedynczych fotonów, a nie jak klasyczne źródło wysyłające przypadkowe pakiety wielu cząstek światła.
Najważniejsze parametry badania można zebrać w skrócie:
| Element badania | Potwierdzone dane |
|---|---|
| Materiał | ZnPS₃ – trójsiarkofosforek cynku |
| Rodzina materiałów | MPX₃ |
| Typ materiału | warstwowy, niemagnetyczny półprzewodnik |
| Przerwa energetyczna | około 3,63 eV |
| Grubość badanych płatków | kilkadziesiąt nanometrów |
| Rozmiar boczny | kilkadziesiąt mikrometrów |
| Prawdopodobne źródło emisji | wakancja atomu fosforu |
| Temperatura działania emiterów | około 20 K, czyli ok. –253°C |
| Publikacja | „ACS Nano”, tom 20, nr 25, s. 17962–17971 |
| DOI | 10.1021/acsnano.5c19936 |
Dane publikacji i zakres eksperymentu potwierdzają Uniwersytet Warszawski oraz artykuł źródłowy w „ACS Nano”.
Jeden foton zamiast przypadkowego pakietu światła – dlaczego to ma znaczenie
Zwykła lampa, dioda LED czy laser nie są automatycznie źródłami pojedynczych fotonów. W klasycznym źródle liczba cząstek światła emitowanych w krótkim przedziale czasu ma rozkład statystyczny. Dla wielu zastosowań nie stanowi to problemu, ale w komunikacji kwantowej lub niektórych architekturach obliczeniowych potrzebna jest dużo większa kontrola.
Idealny emiter powinien po wzbudzeniu wygenerować jeden foton, a następnie „czekać” na kolejny cykl wzbudzenia. Dzięki temu informacja może być przypisywana pojedynczym kwantom światła.
W praktyce różnica nie polega więc tylko na tym, że źródło świeci bardzo słabo. Chodzi o kontrolę statystyki emisji na poziomie pojedynczych kwantów.
Naukowcy sprawdzają takie zachowanie poprzez funkcję korelacji drugiego rzędu g²(τ). Jeśli prawdopodobieństwo wykrycia dwóch fotonów jednocześnie jest odpowiednio małe, obserwuje się tak zwany efekt antygrupowania fotonów. To jedna z podstawowych metod potwierdzania, że źródło generuje pojedyncze kwanty światła, a nie tylko bardzo słabą klasyczną wiązkę. W pracy dotyczącej ZnPS₃ właśnie pomiary korelacyjne wykorzystano do potwierdzenia kwantowego charakteru emisji.
Dlaczego pojedynczy foton może przenosić informację
Foton posiada właściwości, które można wykorzystać jako nośniki informacji, między innymi polaryzację, częstotliwość, czas przybycia czy drogę optyczną.
W kryptografii kwantowej szczególnie użyteczna jest polaryzacja. Można zdefiniować dwa stany, na przykład pionowy i poziomy, a następnie przypisać im wartości logiczne.
Badacze stwierdzili, że fotony emitowane przez ZnPS₃ są silnie spolaryzowane. To istotne, ponieważ dobrze określona polaryzacja ułatwia kodowanie informacji w układach fotonicznych.
„Każdy wysyłany foton drga w jednym, ściśle określonym kierunku” – Natalia Zawadzka, Serwis Naukowy UW.
W praktyce nie oznacza to jeszcze gotowej technologii komunikacyjnej. Pokazuje jednak, że właściwości emitowanego światła odpowiadają parametrom, których poszukuje się przy projektowaniu przyszłych źródeł światła kwantowego.
Defekt kryształu nie jest problemem – może być źródłem fotonu
Jednym z najciekawszych elementów pracy jest ustalenie mechanizmu emisji. Intuicyjnie można zakładać, że idealny materiał powinien mieć perfekcyjnie uporządkowaną strukturę atomową. W przypadku emiterów kwantowych celowo wykorzystywany defekt może jednak pełnić funkcję aktywnego centrum optycznego.
W sieci ZnPS₃ badacze przeanalizowali między innymi możliwość brakujących atomów cynku, siarki oraz fosforu. Obliczenia struktury elektronowej pokazały, że to wakancja fosforowa tworzy stany energetyczne najlepiej odpowiadające obserwowanym liniom emisji.
Brak pojedynczego atomu powoduje lokalne zaburzenie struktury elektronowej kryształu. W przerwie energetycznej mogą wtedy pojawić się lokalne stany, w których zostaje uwięziona energia wzbudzenia.
Po dostarczeniu energii laserem układ może przejść do stanu wzbudzonego, a następnie powrócić do niższego poziomu energetycznego. Różnica energii zostaje uwolniona jako foton.
„Światło o wyższej intensywności lokalizowało się na krawędziach oraz w obszarach pofałdowanych” – Natalia Zawadzka.
Zespół podkreśla jednak, że przypisanie emisji wakancjom fosforowym opiera się na połączeniu danych eksperymentalnych i obliczeń teoretycznych. W języku naukowym nie jest to równoznaczne z twierdzeniem, że każdy obserwowany emiter został bezpośrednio zobrazowany jako konkretny brak atomu fosforu.
Jak naukowcy sprawdzali możliwe źródło emisji
Procedura obejmowała kilka niezależnych etapów:
- przygotowanie bardzo cienkich płatków ZnPS₃;
- obrazowanie struktury i topografii powierzchni;
- tworzenie przestrzennych map fotoluminescencji;
- lokalizowanie jasnych punktów emisji;
- pomiar ich widma;
- analizę polaryzacji światła;
- pomiary korelacji fotonów;
- obliczenia DFT oraz bardziej zaawansowane obliczenia wielu ciał metodą GW;
- porównanie energii stanów związanych z różnymi typami wakancji z wynikami eksperymentu.
Takie połączenie eksperymentu i modelowania jest istotne, ponieważ samo pojawienie się wąskiej linii fotoluminescencji nie mówi jeszcze, jaki dokładnie defekt odpowiada za emisję.
Dlaczego właśnie materiały dwuwymiarowe są interesujące
Dotychczas źródła pojedynczych fotonów badano między innymi w kropkach kwantowych, centrach barwnych w diamencie, heksagonalnym azotku boru oraz dichalkogenkach metali przejściowych. ZnPS₃ rozszerza tę grupę o rodzinę MPX₃, charakteryzującą się inną strukturą elektronową i silniejszymi korelacjami elektronowymi niż w wielu wcześniej badanych materiałach warstwowych.
Materiały dwuwymiarowe mają przewagę konstrukcyjną. Poszczególne warstwy są związane siłami van der Waalsa, dlatego bardzo cienkie płatki można oddzielać od większego kryształu i przenosić na inne podłoża.
Nie trzeba przy tym spełniać tak restrykcyjnych warunków dopasowania sieci krystalicznej jak w wielu klasycznych heterostrukturach półprzewodnikowych.
„Niewielki rozmiar płatków pozwala na ich bezproblemową integrację” – Natalia Zawadzka.
Taka właściwość umożliwia łączenie emitera z:
- falowodami optycznymi;
- rezonatorami;
- detektorami;
- strukturami krzemowej fotoniki;
- światłowodami;
- innymi warstwami materiałów 2D.
Podobny kierunek integracji różnych efektów fizycznych z istniejącą elektroniką opisuje również materiał o tym, jak zjawiska kwantowe trafiają do współczesnych technologii – od kropek kwantowych po komunikację. Fizyka kwantowa w zasięgu ręki: technologie 2026
Warto też odróżnić źródło pojedynczych fotonów od klasycznego efektu fotoelektrycznego stosowanego w fotowoltaice. W panelu słonecznym foton przekazuje energię elektronowi w materiale półprzewodnikowym, natomiast tutaj celem jest kontrolowane generowanie samego kwantu światła. Mechanizm działania półprzewodnika i rolę fotonów można porównać z opisem procesu w ogniwie fotowoltaicznym. Jak działa panel fotowoltaiczny i efekt fotoelektryczny
20 kelwinów: największa bariera przed praktycznym zastosowaniem
Najbardziej konkretne ograniczenie obecnych emiterów ZnPS₃ dotyczy temperatury. W opisanym układzie pojedyncze fotony uzyskiwano w warunkach kriogenicznych – około 20 K.
To około –253°C.
Przy takiej temperaturze drgania cieplne sieci krystalicznej są silnie ograniczone. Dzięki temu wąskie przejścia optyczne związane z defektem nie są tak mocno poszerzane i zakłócane przez oddziaływanie z fononami.
Z punktu widzenia eksperymentu laboratoryjnego taka temperatura nie jest czymś niezwykłym. Istnieją kriostaty helowe i układy chłodzenia zamkniętego pozwalające utrzymywać próbki w temperaturach od kilku do kilkudziesięciu kelwinów.
Problem pojawia się przy skalowaniu.
Źródło fotonów wymagające masywnego układu kriogenicznego jest znacznie trudniejsze do zastosowania w urządzeniu telekomunikacyjnym niż emiter stabilnie pracujący w temperaturze pokojowej. Uniwersytet Warszawski wprost wskazuje, że wymóg chłodzenia obecnie utrudnia zastosowania praktyczne.
Dlatego kolejny etap badań może dotyczyć między innymi:
- podnoszenia temperatury pracy;
- poprawy stabilności emitera;
- kontrolowanego tworzenia defektów w konkretnych miejscach;
- zwiększania wydajności zbierania emitowanych fotonów;
- integracji z rezonatorami optyczznymi;
- sprzęgania emitera z falowodem;
- badania pokrewnych materiałów MPX₃.
Najważniejszym pytaniem nie jest więc dzisiaj, czy ZnPS₃ potrafi emitować pojedyncze fotony. To zostało eksperymentalnie potwierdzone. Pytanie brzmi, czy właściwości takich emiterów można kontrolować i utrzymywać w warunkach odpowiednich dla urządzeń.
Od ZnPS₃ do magnetycznych emiterów kwantowych
ZnPS₃ jest materiałem niemagnetycznym. Rodzina MPX₃ obejmuje jednak również związki, w których metalem jest mangan lub nikiel, między innymi MnPS₃ i NiPS₃.
Te kryształy mają własności magnetyczne.
Jeśli defekty analogiczne do wakancji fosforowych również będą w nich działać jak emitery pojedynczych fotonów, pojawi się możliwość połączenia emisji kwantowego światła z właściwościami magnetycznymi materiału. Autorzy publikacji wskazują ten kierunek jako jedną z perspektyw dalszych badań.
Potencjalnie pole magnetyczne mogłoby wpływać na poziomy energetyczne emitera, polaryzację albo energię fotonu. Taki układ byłby interesujący zarówno jako kontrolowane źródło światła, jak i jako czujnik.
Natalia Zawadzka wskazuje, że analogicznych centrów można poszukiwać właśnie w MnPS₃ i NiPS₃. Zewnętrzne pole magnetyczne mogłoby wtedy służyć do sterowania parametrami optycznymi albo do odczytu bardzo słabych pól.
To jednak na razie kierunek badawczy, a nie potwierdzona funkcjonalność gotowego urządzenia.
Gdzie pojedyncze fotony mogą znaleźć zastosowanie
Najczęściej wymienianym zastosowaniem jest kryptografia kwantowa, przede wszystkim systemy dystrybucji klucza kwantowego. Ich bezpieczeństwo opiera się nie wyłącznie na złożoności obliczeń matematycznych, lecz na prawach mechaniki kwantowej.
Pomiar nieznanego stanu kwantowego może go zmienić. Dzięki temu ingerencja w transmisję może zostać wykryta statystycznie przez uczestników komunikacji.
Źródło emitujące dokładnie pojedyncze fotony jest przy tym pożądane, ponieważ ogranicza sytuacje, w których w jednym impulsie znajduje się więcej niż jeden foton niosący tę samą informację.
Możliwe obszary zastosowań obejmują:
| Obszar | Rola pojedynczego fotonu |
|---|---|
| QKD | przenoszenie stanu kodującego bit klucza |
| Sieci kwantowe | transport kubitów fotonicznych |
| Procesory fotoniczne | realizacja operacji kwantowych |
| Kwantowy internet | przesył stanów między węzłami |
| Metrologia | pomiary przy bardzo małych poziomach światła |
| Sensory magnetyczne | potencjalnie w magnetycznych materiałach MPX₃ |
| Fotoniczne układy scalone | lokalne źródło fotonów na chipie |
Polskie zespoły prowadzą też inne projekty dotyczące źródeł, detektorów i kształtowania widma pojedynczych fotonów. Narodowe Centrum Nauki wymienia między innymi badania nad emiterami w azotku boru, hybrydowymi strukturami półprzewodnikowymi i źródłami pracującymi w zakresie telekomunikacyjnym.
Dla szerszego kontekstu rozwoju fizyki kwantowej warto zestawić tę pracę z innymi osiągnięciami opisanymi w podsumowaniu badań fizycznych z 2025 roku, gdzie technologie kwantowe znalazły się obok eksperymentów neutrinowych i fizyki wysokich energii. Najważniejsze odkrycia fizyczne 2025 roku: kwanty, neutrina i CERN
Kto prowadził badania i kto je finansował
W publikacji uczestniczyli badacze z trzech ośrodków:
- Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego;
- National University of Singapore;
- Radboud University w Nijmegen w Holandii.
Autorami pracy są Natalia Zawadzka, Dmitrii Litvinov, Stan Kwast, Denis Baranov, Malte Rösner, Maciej R. Molas, Maciej Koperski i Magdalena Grzeszczyk. Zawadzka i Litvinov zostali wskazani w artykule jako autorzy o równym wkładzie.
Badania po stronie UW były finansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu SONATA BIS „Hybrydowe struktury materiałów warstwowych dla nowoczesnej optoelektroniki”, prowadzonego przez dr. hab. Macieja Molasa, prof. UW. Numer grantu podany przez uczelnię to 2022/46/E/ST3/00166.
Publikacja „Defect-Induced Single-Photon Emission in ZnPS₃” została opublikowana online 16 czerwca 2026 roku, a następnie znalazła się w tomie 20, numerze 25 „ACS Nano” na stronach 17962–17971.
Co odkrycie oznacza dzisiaj, a czego jeszcze nie oznacza
Potwierdzona część wyniku jest konkretna: ZnPS₃ może zawierać centra zachowujące się jak emitery pojedynczych fotonów, a najbardziej prawdopodobnym mikroskopowym mechanizmem są defekty związane z brakującym atomem fosforu.
Potwierdzono także silną polaryzację emisji oraz możliwość pracy z bardzo cienkimi płatkami materiału.
Nie oznacza to natomiast, że istnieje już proces technologiczny pozwalający produkować miliony identycznych emiterów ZnPS₃ na chipie.
Nie wykazano również pracy w temperaturze pokojowej.
Nie ma jeszcze komercyjnego nadajnika kwantowego opartego na tym materiale.
Badanie tworzy natomiast podstawę do sprawdzania kolejnych pytań: czy defekty można umieszczać w wybranych miejscach, czy można stroić ich energię, jak stabilne są w długim czasie i czy podobne emitery pojawiają się w magnetycznych członkach rodziny MPX₃.
To właśnie te parametry zdecydują, czy pojedyncze fotony w krysztale ZnPS₃ pozostaną ciekawym wynikiem fizyki materiałowej, czy staną się elementem przyszłych układów kwantowych.
Pytania i odpowiedzi
Co to jest pojedynczy foton?
Foton jest kwantem promieniowania elektromagnetycznego. Emiter pojedynczych fotonów ma generować światło w taki sposób, aby w danym cyklu emisji pojawiał się pojedynczy foton, a nie przypadkowa grupa wielu fotonów.
Z czego wykonany jest ZnPS₃?
ZnPS₃ to trójsiarkofosforek cynku zawierający cynk, fosfor i siarkę. Jest warstwowym półprzewodnikiem należącym do rodziny MPX₃ i ma przerwę energetyczną około 3,63 eV.
Co powoduje emisję pojedynczych fotonów?
Zgodnie z połączeniem eksperymentu i obliczeń najbardziej prawdopodobnym źródłem są wakancje fosforowe, czyli miejsca, w których w sieci krystalicznej brakuje atomu fosforu.
Czy emiter ZnPS₃ działa w temperaturze pokojowej?
Nie w warunkach opisanych w tej pracy. Emisję pojedynczych fotonów badano przy około 20 K, czyli mniej więcej –253°C. Konieczność chłodzenia pozostaje jednym z głównych ograniczeń praktycznych.
Do czego mogą służyć pojedyncze fotony?
Do potencjalnych zastosowań należą kryptografia kwantowa, sieci kwantowe, fotoniczne procesory, precyzyjna metrologia i układy czujnikowe. ZnPS₃ jest interesujący dodatkowo ze względu na możliwość integracji cienkich płatków z chipami i falowodami.
Czy odkrycie zostało opublikowane w recenzowanym czasopiśmie?
Tak. Praca ukazała się w „ACS Nano”, tom 20, numer 25, strony 17962–17971. DOI: 10.1021/acsnano.5c19936.
Czy badanie wykonano wyłącznie w Polsce?
Nie. Była to współpraca zespołów z Uniwersytetu Warszawskiego, National University of Singapore oraz Radboud University w Holandii.
Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat: Dlaczego akryl po wyschnięciu ciemnieje, choć na palecie kolor wydawał się idealny
