دانشمندان با استفاده از یک تکنیک جدید مبتنی بر پیچش موفق شدهاند راهی تازه برای کنترل منابع نور کوانتومی پیدا کنند؛ دستاوردی که میتواند فناوریهای کوانتومی را یک گام دیگر به کاربردهای عملی نزدیکتر کند.
پژوهشگران دانشگاه فناوری سیدنی (University of Technology Sydney) دریافتند که با پیچش و چیدمان دوباره لایههای فوقنازک مادهای به نام نیترید بور ششضلعی (hBN)، میتوان رنگ و طول موج نور ساطعشده از گسیلندههای کوانتومی تعبیهشده در این ماده را بهطور چشمگیری تغییر داد.
گسیلندههای کوانتومی منابع بسیار کوچک نور هستند که قادر به تولید فوتونهای منفردند. همین ویژگی باعث شده است این ساختارها به یکی از اجزای کلیدی رایانههای کوانتومی آینده، شبکههای ارتباطی فوقامن و حسگرهای بسیار دقیق تبدیل شوند. با وجود آنکه پژوهشگران طی سالهای اخیر توانستهاند این گسیلندهها را شناسایی و بررسی کنند، کنترل دقیق عملکرد آنها همچنان یکی از بزرگترین چالشهای این حوزه به شمار میرود.
تیم تحقیقاتی اعلام کرده است که روش جدید، راهکاری متفاوت برای تنظیم این منابع نوری ارائه میدهد؛ روشی که از ساختار لایهای منحصربهفرد نیترید بور ششضلعی بهره میبرد. این ماده را میتوان بارها از هم جدا کرد، تحت پیچش قرار داد و دوباره روی هم قرار داد، بدون آنکه ویژگیهای اصلی آن از بین برود.
استفاده از پیچش برای کنترل نور
دکتر «آنگوس گیل»، نویسنده اصلی این پژوهش، گفت نتایج بهدستآمده ابزار تازهای در اختیار دانشمندان قرار میدهد تا بتوانند گسیلندههای کوانتومی را بهتر کنترل کنند.
او توضیح داد: “شما میتوانید این گسیلندههای کوانتومی را اندازهگیری کنید و وجود آنها را ببینید، اما بهکارگیری عملی آنها بسیار دشوار است. این روش مانند اهرمی است که ما را یک گام به تحقق فناوریهای کوانتومی نزدیکتر میکند.”
در آزمایشهای انجامشده، پژوهشگران توانستند تنها با تغییر زاویه پیچش میان لایههای hBN، تغییر قابلتوجهی در نور ساطعشده ایجاد کنند. برخلاف بسیاری از مطالعات مشابه که در آن مواد تنها یکبار مونتاژ میشوند و پس از آن تغییری نمیکنند، این گروه تحقیقاتی بارها لایهها را جدا کردند، دوباره روی هم قرار دادند، زاویه پیچش را تغییر دادند و همزمان ویژگیهای نوری آنها را اصلاح کردند.
دکتر گیل در این باره گفت: “ما از این واقعیت استفاده میکنیم که نیترید بور ششضلعی مادهای لایهای است. میتوانیم آن را برداریم، روی هم بچینیم، پیچش ایجاد کنیم و از همین پیچش برای تغییر ویژگیهای گسیلندهها استفاده کنیم. چنین کاری با مواد سنتی مانند الماس یا کاربید سیلیکون تقریباً امکانپذیر نیست.”
میزان تغییرات فراتر از انتظار بود
به گفته پژوهشگران، میزان تنظیمی که از طریق پیچش به دست آمد، بسیار بیشتر از پیشبینیهای اولیه بود و حتی از آنچه معمولاً در بسیاری از سامانههای گسیلنده کوانتومی امکانپذیر است نیز فراتر رفت.
دکتر گیل اظهار کرد: “مزیت این روش آن است که با استفاده از این بستر قابلپیچش توانستیم جابهجایی بسیار بزرگی در طیف نشر نور ایجاد کنیم. در اغلب مواقع، زمانی که این سامانهها را کنترل میکنید، میزان تغییرات بسیار محدود است، اما در این پژوهش، میزان جابهجایی بسیار بیشتر از چیزی بود که انتظار داشتیم.”
این نتیجه نشان میدهد که پیچش تنها یک تغییر مکانیکی ساده نیست، بلکه میتواند به ابزاری قدرتمند برای مهندسی خواص نوری مواد کوانتومی تبدیل شود. تغییر زاویه میان لایهها باعث دگرگونی برهمکنشهای اتمی در ساختار ماده میشود و همین موضوع مستقیماً بر نحوه تولید و انتشار نور از گسیلندههای کوانتومی اثر میگذارد.
در واقع، پژوهشگران توانستند بدون نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی ماده یا افزودن عناصر جدید، تنها با تغییر زاویه پیچش، رفتار نوری آن را کنترل کنند. این موضوع میتواند هزینه و پیچیدگی تولید تجهیزات کوانتومی آینده را نیز کاهش دهد.
رویکردی متفاوت برای توسعه فناوری کوانتومی
به جای آنکه پژوهشگران تلاش کنند نیترید بور ششضلعی را وادار کنند مانند سایر مواد رایج مورد استفاده در فناوریهای کوانتومی رفتار کند، تصمیم گرفتند از ویژگیهای طبیعی همین ماده بیشترین بهره را ببرند.
دکتر گیل گفت: “به جای اینکه نقصهای موجود در hBN را وادار کنیم مانند میزبانهای جامد سنتی عمل کنند، از بزرگترین مزیت خود این ماده استفاده کردیم؛ یعنی ساختار نازک، لایهای و قابلپیچش آن.”
او برای توضیح بهتر این موضوع، مثالی ساده ارائه داد و گفت: “یک قالب کامل پنیر را تصور کنید؛ دسترسی به قسمتهای میانی آن آسان نیست. اما اگر همان پنیر به صورت ورقههای نازک باشد، میتوانید لایهها را جدا کنید، دوباره کنار هم قرار دهید و نحوه تعامل آنها را تغییر دهید.”
به گفته او، ساختار لایهای hBN نیز دقیقاً چنین قابلیتی دارد و همین ویژگی امکان ایجاد پیچشهای مختلف و بررسی اثر هر زاویه بر رفتار گسیلندههای کوانتومی را فراهم میکند.
پیچش میتواند رفتارهای کاملاً جدیدی ایجاد کند
پروفسور «ایگور آهارونوویچ» نیز که از پژوهشگران این پروژه است، گفت پیچش مواد لایهای میتواند به ظهور پدیدههای فیزیکی کاملاً جدید منجر شود.
او توضیح داد: “ممکن است دو لایه بهتنهایی ویژگی خاصی نداشته باشند، اما اگر آنها را با زاویه مشخصی روی یکدیگر قرار دهید، ناگهان با سامانهای کاملاً متفاوت روبهرو میشوید.”
این پدیده طی سالهای اخیر توجه بسیاری از پژوهشگران حوزه مواد دوبعدی را به خود جلب کرده است. تغییر زاویه پیچش میان لایههای اتمی میتواند نحوه حرکت الکترونها، انتقال انرژی و حتی رفتار نور را تغییر دهد و ویژگیهایی ایجاد کند که در هیچیک از لایهها بهتنهایی وجود ندارد.
به همین دلیل، دانشمندان معتقدند کنترل دقیق زاویه پیچش میتواند به یکی از مهمترین ابزارهای طراحی نسل آینده تجهیزات کوانتومی تبدیل شود.
گامی مهم به سوی کاربردهای واقعی
پژوهشگران بر این باورند که این روش در آینده میتواند نقش مهمی در توسعه رایانههای کوانتومی، سامانههای ارتباطات کوانتومی و حسگرهای فوقحساس ایفا کند.
رایانههای کوانتومی به منابع نوری بسیار دقیق و قابلکنترل نیاز دارند تا بتوانند اطلاعات را با استفاده از فوتونهای منفرد پردازش کنند. از سوی دیگر، شبکههای ارتباطی کوانتومی نیز برای انتقال ایمن دادهها به چنین منابع نوری وابسته هستند.
علاوه بر این، حسگرهای کوانتومی میتوانند در حوزههایی مانند پزشکی، امنیت سایبری، ناوبری، تصویربرداری پیشرفته و اندازهگیریهای فوقدقیق مورد استفاده قرار گیرند. هرچه امکان کنترل گسیلندههای کوانتومی بیشتر شود، عملکرد این فناوریها نیز بهبود خواهد یافت.
از دیدگاه محققان، استفاده از پیچش بهعنوان ابزاری برای تنظیم ویژگیهای نور کوانتومی، راهکاری ساده اما بسیار مؤثر محسوب میشود که میتواند محدودیتهای بسیاری از روشهای رایج را برطرف کند. از آنجا که نیترید بور ششضلعی قابلیت جداسازی، چیدمان مجدد و ایجاد پیچشهای گوناگون را دارد، این ماده به بستری ایدهآل برای آزمایش و توسعه نسل جدید تجهیزات فوتونیکی و کوانتومی تبدیل شده است.
اگرچه این فناوری هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی قرار دارد، اما نتایج بهدستآمده نشان میدهد که پیچش لایههای مواد دوبعدی میتواند مسیر تازهای برای کنترل نور کوانتومی باز کند؛ مسیری که شاید در آینده نهچندان دور، توسعه رایانههای کوانتومی، ارتباطات فوقامن و نسل جدید حسگرهای پیشرفته را با سرعت بیشتری امکانپذیر سازد.
دیدگاهتان را بنویسید