محققان نخستین حسگری کوانتومی تراهرتز را ثابت می‌کنند

محققان نخستین حسگری کوانتومی تراهرتز را ثابت می‌کنند

فیزیکدانان کوانتومی به حسگری کوانتومی به عنوان روشی جذاب برای دستیابی به نواحی طیفی و آشکارسازی فوتون‌ها (بسته‌های ریز تشکیل‌دهنده نور) که عموما به لحاظ تکنیکی چالش‌برانگیز هستند، تکیه می‌کنند.

آن‌ها می‌توانند اطلاعات نمونه را در نواحی طیفی مورد علاقه جمع‌آوری کرده و جزئیات آن را از طریق همبستگی‌های دوفوتون و با استفاده از آشکارسازهای بسیار حساس، به یک گستره طیفی دیگر منتقل کنند. این کار به ویژه برای آشکارسازی تابش تراهرتز بدون آشکارسازهای نیمه‌رسانا، که در آن فیزیکدانان باید به جای آن از طرح‌های آشکارسازی همدوس یا بولومترهای سردشده به روش کرایوژنیک استفاده کنند، مفید است. در گزارشی جدید در مجله Science Advances ، میرکو کوتاس (Mirco Kutas) و یک گروه تحقیقاتی از دانشکده‌های ریاضیات و فیزیک صنعتی در آلمان، نخستین اثبات از حسگری کوانتومی در گستره فرکانسی تراهرتز را تشریح کردند. در طی این آزمایش‌ها، فرکانس‌های تراهرتز با یک نمونه در فضای آزاد، برهمکنش کرده و با آشکارسازی فوتون‌های مرئی، اطلاعاتی در مورد ضخامت نمونه بدست می‌دهند. این گروه اندازه‌گیری‌های ضخامت لایه را با استفاده از فوتون‌های تراهرتز مبتنی بر تداخل دو فوتون بدست آوردند. از آنجا که اندازه‌گیری غیر مخرب ضخامت لایه، از اهمیت بسیار زیادی در صنعت برخوردار است، کوتاس و همکارانش انتظار دارند این آزمایش‌ها نخستین گام به سوی حسگری کوانتومی صنعتی باشد.

حسگری و تصویربرداری کوانتومی یک طرحواره شناخته‌شده برای اندازه‌گیری‌های مادون قرمز با استفاده از یک زوج‌فوتون همبسته‌ی مرئی و مادون قرمز است. در گذشته، گروه‌های تحقیقاتی، اصول کلی حسگری کوانتومی در گستره فرکانسی تراهرتز را با استفاده از یک تداخل سنج تک‌بلوری، در پیکربندی یانگ برای اندازه‌گیری جذب بلور لیتیم نیوبایت قطبیده به صورت تناوبی (PPLN) در گستره فرکانسی تراهرتز، ثابت کرده بودند. در کار حاضر، کوتاس و همکارانش فوتون‌های تراهرتز (ایدلر) را توسط تبدیل پایین پارمتریک خود به خودی (SPDC) و با استفاده از فوتون‌های پمپ در 660 نانومتر تولید کردند، تا فوتون‌های سیگنال در طول موجی در حدود 661 نانومتر (بسیار نزدیک به طیف طول موج پمپ) را تولید کنند. این گروه برای آزمودن امکان‌سنجی حسگری کوانتومی در دمای اتاق، ابتدا به لحاظ نظری، مفهوم تداخل سنج کوانتومی تک‌بلور را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند.

به لحاظ نظری، این چیدمان از یک باریکه پمپ که برای تولید زوج  فوتون‌های سیگنال (s) و ایدلر (i)، به یک بلور غیر خطی می‌تابید، تشکیل شده بود. کوتاس و همکارنش فرایند نظری خود را مبتنی بر یک مطالعه قبلی انجام دادند. در آزمایش های SPDC (تبدیل پایین پارامتریک خود به خودی) معمول، حالت‌های ورودی، در حالت خلا قرار دارند. با این حال در کار حاضر، انرژی اندک فوتون‌های ایدلر در گستره تراهرتز، سهم قابل توجهی از افت و خیزهای حرارتی را دریافت کردند تا در حالت گرمایی قرار گیرند. این گروه قصد داشتند در طی آزمایش، فوتون‌های سیگنال را از فوتون‌های ایدلر تفکیک کنند تا با جسم برهمکنش کرده و تابش حاصل از آن بازتاب شده و مجددا با بلور جفت شود. آن‌ها تداخل مورد انتظار حاصل از این مدل را به تصویر کشیدند تا نتیجه بگیرند که یک طرح تداخلی را می‌توان در حضور فوتون‌های حرارتی برای تبدیل پایین (Down-Conversion) (زمانی که میدان‌های سیگنال و ایدلر فرکانس کمتری از میدان پمپ دارند) و همچنین تبدیل بالا (Up-Conversion) انتظار داشت.

چیدمان تجربی حاضر، همچنین مبتنی بر یک چیدمان ارائه شده قبلی است که به یک تداخل سنج کوانتومی تک بلور مایکلسون‌مانند بسط داده شد. دانشمندان از یک لیزر حالت جامدِ فرکانسِ دو برابر شده (frequency-doubled solid-state laser) با طول موج ۶۶۰ نانومتر به عنوان منبع پمپ کننده استفاده کرده و این فوتون‌ها را با استفاده از یک توری براگ حجمی (VBG) با تداخل‌سنج جفت کردند. آن‌ها یک بلور PPLN (لیتیوم نیوبایت با قطبش تناوبی) به طول ۱ میلی‌متر و تناوب قطبش 90 میکرومتر را به عنوان محیط غیر غطی انتخاب کردند تا فوتون‌های مرئی (سیگنال) و فوتون‌های ایدلر متناظر، در ناحیه تراهرتز را تولید کنند. این محققان یک شیشه با پوشش ITO (indium tin oxide) را به منظور تفکیک فوتون‌های ایدلر از فوتون های پمپ و سیگنال، در پشت بلور قرار دادند؛ سپس مستقیما تابش پمپ و سیگنال را با استفاده از یک آینه مقعر به داخل بلور متمرکز کردند.

از آنجا که ضریب شکست لیتیوم نیوبایت (LiNbO3) در گستره فرکانسی تراهرتز منجر به یک زاویه پراکندگی بزرگ پرتوهای ایدلر می‌شود، آن‌ها با استفاده از یک آینه سهموی، این پرتوها را جمع‌آوری کرده و تابش ایدلر را از یک آینه تخت که روی یک پایه خطی پیزوالکتریک قرار داشت، منعکس کردند. آن‌ها پس از دو بار عبور از بلور،‌ باریکه‌های پمپ و سیگنال را جمع‌آوری کرده و فوتون‌های پمپ را با استفاده از سه توری براگ حجمی (که به عنوان فیلترهای بسیار کارآمد با پهنای باند باریک عمل می‌کند)، فیلتر کردند. این گروه از یک دوربین نیمه رسانای فلز-اکسید مکمل علمی (sCMOS) سردنشده به عنوان آشکارساز استفاده کردند. فوتون‌های سیگنال در این چیدمان را می‌توان هم با استفاده از SPDC (تبدیل پایین پارامتریک خود به خودی) و هم با تبدیل فوتون‌های حرارتی در گستره تراهرتز، تولید کرد. شدت سیگنال که به طور خطی به توان پمپ وابسته است، امکان انجام آزمایش در محدوده بهره کم را فراهم می‌کند.

دانشمندان تداخل فوتون‌های سیگنال را در نواحی استوکس و آنتی استوکس مشاهده کردند (که منطبق بر سیگنال تداخلی شبیه‌سازی شده است). تبدیل فوریه‌های سریع (FFTs) مربوطه، قله‌هایی را در هر دو حالت نسبت به شرایط تطبیق فاز نشان داد. نویز اطلاعات ثبت‌شده، از افت و خیزهای لیزر و نویز دوربین ناشی شد. آن‌ها برای تشخیص اینکه تداخل بر اثر فوتون‌های تراهرتزی که در طول مسیر ایدلر منتشر می‌شوند، ایجاد می‌گردند، یک شیشه ITO را بین آینه‌های سهموی و تخت قرار دادند که این امر تابش تراهرتز را مسدود کرده، درحالی که امکان عبور نور مرئی را فراهم می‌کرد. 

کوتاس و همکارانش برای نشان دادن حسگری کوانتومی تراهرتز، ضخامت انواع صفحات پلی‌تترافلوئوراتیلن (PTFE) که در مسیر ایدلر با حداکثر ضخامت 5 میلی متر قرار داشت را اندازه‌گیری کردند. به دلیل ضریب شکست PTFE، طول مسیر نوری تغییر کرده و آن‌ها پوشش تداخل را در مراحل مختلفی مشاهده کردند. گذشته از جابجایی، نمایانی تداخل، در حضور صفحه PTFE کاهش یافت. این گروه با استفاده از یک سامانه طیف‌سنجی دامنه زمانی استاندارد (TDS)، ضخامت این صفحه را با تخمین ضریب شکست آن‌ها تشخیص دادند. آن‌ها ضخامت لایه را بر اساس ضریب شکست و تغییر سیگنال تداخلی محاسبه کردند. نتایج نشان داد که تداخل کوانتومی با فوتون‌های ایدلر در گستره فرکانسی تراهرتز به فیزیکدانان این امکان را می‌دهد تا ضخامت لایه نمونه‌ها را به روش تراهرتز از طریق حسگری کوانتومی تعیین کنند.

به این ترتیب، میرکو کوتاس و همکارانش، تداخل کوانتومی در گستره فرکانسی تراهرتز را با انتشار فوتون‌های تراهرتز در فضای آزاد، در نواحی استوکس و آنتی استوکس مشاهده کردند. آن‌ها ظرفیت استفاده از این تکنیک برای تعیین ضخامت نواحی مختلف PTFE را به عنوان شاهدی بر کاربردهای گستره فرکانسی تراهرتز نشان دادند. در حالی که زمان و وضوح این اندازه‌گیری را نمی‌توان با طرحواره‌های کلاسیکی اندازه‌گیری تراهرتز مقایسه کرد، مفهوم ارائه شده در اینجا اولین گام مهم به سوی تصویربرداری کوانتومی تراهرتز است.
منبع: phys.org
كلمات كليدي :
حسگری کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر
login