پژوهشگران دانشگاه ملبورن و سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی مشترکالمنافع استرالیا (CSIRO) با همکاری مؤسسه ملی علوم و فناوری کوانتومی ژاپن (QST)، پروژهای مشترک را برای توسعه روشهای پیشرفته تولید آغاز کردهاند که هدف آن تبدیل گرد الماس کمارزش به مواد کوانتومی با عملکرد بالا است.
این طرح علاوه بر آنکه میتواند جایگاه استرالیا را در حوزه فناوریهای کوانتومی تقویت کند، وابستگی این کشور به زنجیره تأمین جهانی مواد اولیه مورد نیاز صنایع کوانتومی را نیز در آینده کاهش خواهد داد. محققان امیدوارند با استفاده از منابع داخلی و فناوریهای نوین، مسیر تولید مواد کوانتومی را مقرونبهصرفهتر و پایدارتر کنند.
فناوری کوانتومی؛ آیندهای فراتر از هوش مصنوعی
اگرچه این روزها اصطلاح «هوش مصنوعی» بیش از هر فناوری دیگری شنیده میشود، اما بسیاری از دانشمندان معتقدند آینده واقعی متعلق به فناوریهای کوانتومی است.
رایانش کوانتومی، حسگرهای کوانتومی و سامانههای ارتباطی مبتنی بر مکانیک کوانتوم میتوانند تحولی اساسی در شیوه زندگی انسان ایجاد کنند. از تشخیص تهدیدهای امنیتی و ناوبری دقیق جهانی گرفته تا شناسایی نشانگرهای زیستی بیماریها و انجام محاسباتی که رایانههای امروزی قادر به انجام آن نیستند، همگی از کاربردهای بالقوه فناوری کوانتومی محسوب میشوند. با این حال، دستیابی به این آینده با چالشهای بزرگی همراه است.
بزرگترین مانع؛ دمای بسیار پایین
یکی از مهمترین مشکلات فناوریهای کوانتومی، نیاز بیشتر آنها به دماهای فوقالعاده پایین است. بسیاری از تجهیزات کوانتومی تنها در دمای نزدیک به صفر مطلق، یعنی حدود منفی ۲۷۳ درجه سانتیگراد، عملکرد مناسبی دارند. ایجاد چنین شرایطی در آزمایشگاه ممکن است، اما استفاده روزمره از این فناوریها در این دما تقریبا غیرعملی و بسیار پرهزینه خواهد بود.
به همین دلیل، پژوهشگران سالهاست به دنبال موادی هستند که بتوانند در دمای اتاق نیز خواص کوانتومی خود را حفظ کنند. الماس یکی از مهمترین گزینههایی است که تاکنون برای این منظور شناسایی شده است.
چرا الماس برای فناوری کوانتومی اهمیت دارد؟
در نگاه اول، الماس تنها یک سنگ قیمتی به نظر میرسد، اما ساختار اتمی آن ویژگیهای منحصربهفردی دارد. الماس از شبکهای منظم از اتمهای کربن تشکیل شده است که در آن هر اتم کربن به چهار اتم دیگر متصل است. اما الماسهای مورد استفاده در فناوری کوانتومی با الماسهای معمولی تفاوت دارند.
این نوع الماسها دارای نقصهای بسیار کوچکی در مقیاس اتمی هستند که به صورت طبیعی وجود ندارند و به شکل مصنوعی ایجاد میشوند. یکی از مهمترین این نقصها، مرکز نیتروژن-جایخالی (Nitrogen Vacancy یا NV Center) نام دارد. در این ساختار، یکی از اتمهای کربن با اتم نیتروژن جایگزین میشود و در کنار آن نیز یک اتم کربن حذف میشود. همین نقص کوچک باعث ایجاد خواص کوانتومی ارزشمندی در الماس میشود.
نقش مراکز NV در حسگرهای کوانتومی
وجود مراکز NV به الماس اجازه میدهد به عنوان یک حسگر کوانتومی بسیار دقیق عمل کند. این حسگرها قادرند میدانهای مغناطیسی، میدانهای الکتریکی، تغییرات دما و بسیاری از کمیتهای فیزیکی دیگر را با دقتی بسیار بالا اندازهگیری کنند.
چنین ویژگیهایی باعث شدهاند الماس یکی از ارزشمندترین مواد اولیه برای توسعه نسل آینده تجهیزات کوانتومی باشد. اما تولید الماسهای دارای مراکز NV بسیار پیچیده و گرانقیمت است. اینجاست که ایده استفاده از گرد الماس اهمیت پیدا میکند.
گرد الماس؛ مادهای ارزان با قابلیتهای ارزشمند
در فرآیند استخراج، تراش و صیقل دادن الماس، مقدار زیادی گرد الماس تولید میشود. این ذرات بسیار ریز معمولا ارزش اقتصادی بالایی ندارند و در بسیاری از موارد به عنوان محصول جانبی شناخته میشوند.
اما پژوهشگران معتقدند همین ذرات میتوانند همان ویژگیهای بنیادی الماس را حفظ کنند. اگر بتوان نقصهای اتمی مورد نیاز را در گرد الماس ایجاد کرد، امکان تولید مواد کوانتومی با هزینهای بسیار کمتر فراهم خواهد شد. به این ترتیب، به جای استفاده از الماسهای گرانقیمت، میتوان از مادهای بهره برد که تاکنون کاربرد محدودی داشته است.
استرالیا به دنبال استقلال در فناوری کوانتومی
یکی از اهداف اصلی این پروژه، افزایش توان داخلی استرالیا در تولید مواد مورد نیاز صنایع کوانتومی است. امروزه بسیاری از کشورها برای تأمین مواد اولیه پیشرفته به زنجیرههای تأمین بینالمللی وابسته هستند؛ زنجیرههایی که در سالهای اخیر به دلیل بحرانهای جهانی، ناپایداریهای فراوانی را تجربه کردهاند.
همکاری با مؤسسه ملی علوم و فناوری کوانتومی ژاپن این امکان را در اختیار پژوهشگران استرالیایی قرار داده است تا به تجهیزات پیشرفته دسترسی پیدا کنند و روشهای جدید تولید را آزمایش کنند. در عین حال، هدف نهایی این است که استرالیا بتواند در آینده بخش عمده مواد کوانتومی مورد نیاز خود را از منابع داخلی تولید کند. این موضوع علاوه بر کاهش وابستگی خارجی، امنیت فناوری و توان رقابتی صنایع این کشور را نیز افزایش خواهد داد.
تمرکز بر افزایش کیفیت نانوالماسهای کوانتومی
در مرحله نخست این پروژه، پژوهشگران قصد دارند کیفیت و یکنواختی نانوالماسهای کوانتومی تولیدشده از گرد الماس را بهبود دهند. یکی از مهمترین اهداف آنها، قرار دادن مراکز NV تا حد امکان نزدیک به سطح ذرات الماس است. هرچه این مراکز به سطح نزدیکتر باشند، عملکرد حسگرهای کوانتومی بهتر خواهد بود و دقت اندازهگیری آنها افزایش مییابد.
پس از تولید این نانوالماسها، پژوهشگران سازمان CSIRO پایداری، دوام و توانایی حسگری آنها را تحت آزمایشهای دقیق قرار خواهند داد تا مشخص شود آیا این مواد برای استفاده در فناوریهای آینده مناسب هستند یا خیر.
گامی مهم برای آینده فناوری کوانتومی
اگر این روش قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را پیدا کند، استرالیا خواهد توانست گرد الماس کمارزش را به یکی از ارزشمندترین مواد مورد نیاز صنایع پیشرفته جهان تبدیل کند. این فناوری نهتنها هزینه تولید تجهیزات کوانتومی را کاهش میدهد، بلکه امکان استفاده گستردهتر از حسگرها و رایانههای کوانتومی را نیز فراهم خواهد کرد.
پژوهشگران معتقدند استفاده از گرد الماس میتواند مسیر توسعه نسل جدید تجهیزات کوانتومی را هموار کند و زمینه را برای تولید حسگرهای دقیقتر، رایانههای قدرتمندتر و سامانههای ناوبری و پزشکی پیشرفتهتر فراهم سازد.
در صورتی که این فناوری به مرحله تجاری برسد، مادهای که تاکنون تنها یک محصول جانبی کمارزش محسوب میشد، میتواند به یکی از مهمترین اجزای صنعت کوانتومی جهان تبدیل شود و نقش مهمی در شکلگیری فناوریهای آینده ایفا کند.