مقالات حوزه شبیه سازی
درک بهتر نواقصی که عامل رفتار بی‌نظم مواد کوانتومی هستند

درک بهتر نواقصی که عامل رفتار بی‌نظم مواد کوانتومی هستند

در آینده‌ای که مبتنی بر فناوری‌های کوانتومی است، هواپیماها و سفینه‌های فضایی می‌توانند از طریق تکانه نور سوخت‌گیری کنند.

کامپیوترهای کوانتومی از طریق مسائل پیچیده‌ای به چالش کشیده خواهند شد که شیمی را به رمزنگاری با سرعت و بازدهی انرژی بالاتر نسبت به پردازنده‌های موجود مرتبط می‌سازند. اما قبل از تحقق این آینده، ما نیازمند منابع کوانتومی نور درخشان و قابل پیش‌بینی هستیم.

به همین منظور، گروهی از دانشمندان مواد، فیزیکدانان و مهندسان دانشگاه استنفورد با همکاری آزمایشگاه‌های دانشگاه هاروارد و دانشگاه صنعتی سیدنی، بور نیترید شش ضلعی، ماده‌ای که می‌تواند نور درخشان را به صورت تک فوتون (یک واحد کوانتومی نور) در واحد زمان گسیل کند را مورد بررسی قرار دادند. این ماده می‌تواند این عمل را در دمای اتاق انجام دهد و استفاده از آن را در مقایسه با منابع کوانتومی جایگزین، راحت‌تر کند.

متاسفانه، بور نیترید شش ضلعی دارای عیب قابل توجهی است:‌ این ماده نور را به صورت رنگین‌کمانی از رنگ‌های متفاوت گسیل می‌کند. محققان می‌گویند: «با این که این گسیل زیباست، اما در حال حاضر این رنگ، قابل کنترل نیست. ما قصد داشتیم منبع نور چند رنگ را با هدف نهایی بدست آوردن کنترل روی گسیل آن شناسایی کنیم».

دانشمندان با بکارگیری ترکیبی از روش‌های میکروسکوپی توانستند گسیل رنگارنگ این ماده را در نواقص اتمی خاصی ردیابی کنند. گروهی در دانشگاه هاروارد، با بررسی چگونگی برهمکنش نور، الکترون‌ها و گرما در این ماده، نظریه جدیدی را برای پیش بینی رنگ نواقص توسعه‌ داده‌اند. آن‌ها می‌گویند: «ما باید بدانیم چگونه این نواقص با محیط جفت می‌شوند و آیا می‌توان از آن به عنوان اثرانگشتی برای شناسایی و کنترل آن‌ها استفاده کرد». این محققان در مقاله‌ای که در مجله Nature Material منتشر شده، روش و دسته بندی‌های مختلف نواقص خود را توضیح داده‌اند. 

شناسایی نواقصی که باعث گسیل تابش کوانتومی می‌شود، کمی شبیه به جست و جوی یک دوست در یک شهر پرجمعیت بدون تلفن همراه است. شما می‌دانید آن‌ها در آنجا هستند، اما برای پیدا کردن مکان دقیقشان باید کل شهر را بگردید.

دانشمندان با بسط قابلیت‌های نوع خاصی از یک میکروسکوپ الکترونی اصلاح شده توانستند ساختار اتمی محلی بور نیترید شش ضلعی را با گسیل رنگی منحصربفردش، تطابق دهند. آن‌ها در طول صدها آزمایش، مواد را با الکترون‌ها و نور مرئی بمباران کرده و الگوی گسیل نور را ثبت کردند. آن‌ها همچنین چگونگی تاثیر آرایش دوره‌ای اتم‌ها در بور نیترید شش ضلعی در رنگ گسیل شده را نیز مطالعه کردند.

آن‌ها می‌گویند: «چالش این بود که نتایج را از چیزی که بنظر می‌رسید یک سیستم کوانتومی بی‌نظم است، استخراج کنیم. تنها یک اندازه‌گیری تصویر کلی را نشان نمی‌دهد. اما روی هم‌رفته، و همراه با نظریه، داده‌ها بسیار غنی هستند و طبقه‌بندی روشنی از نواقص کوانتومی در این ماده را ارائه می‌دهند».

علاوه بر یافته‌های خاص درباره انواع نواقص گسیلی در بور نیترید شش ضلعی، فرایندی که این گروه برای جمع‌آوری و طبقه‌بندی این طیف کوانتومی توسعه داده است، می‌تواند به خودی خود برای گستره وسیعی از مواد کوانتومی قابل تبدیل باشد. محققان می‌گویند: «مواد را می‌توان با دقت در مقیاس اتمی تهیه کرد، اما ما هنوز کاملاَ متوجه نمی‌شویم که آرایش‌های مختلف اتمی چگونه بر خواص اپتو-الکترونیکی آن‌ها تاثیر می‌گذارد. رویکرد گروه ما گسیل نور در مقیاس اتمی را آشکار می‌کند و این مسیر را به سمت فناوری‌های کوانتومی نوری جالب توجهی هدایت می‌کند».

 اگرچه در حال حاضر تمرکز روی درک این است که کدام نواقص منجر به ایجاد رنگ‌های خاص در تابش کوانتومی می‌شوند، اما هدف نهایی، کنترل ویژگی‌های آن‌هاست. به عنوان مثال، این گروه دورنمای جای‌دادن راهبردی گسیلنده‌های کوانتومی و همچنین روشن و خاموش کردن گسیل آن‌ها برای کامپیوترهای کوانتومی آینده را در نظر دارد.

تحقیق در این زمینه نیازمند یک رویکرد میان‌رشته‌ای است. این کار دانشمندان مواد، فیزیکدانان و مهندسان برق، هم نظریه‌پردازان و هم آزمایشگران را گرد هم آورده است. آن‌ها می‌گویند: «ما توانستیم زمینه ایجاد منابع کوانتومی با خواص قابل کنترل مانند رنگ، شدت و مکان را فراهم کنیم. توانایی ما برای مطالعه این مسئله از زوایای مختلف، توانایی یک رویکرد بین رشته‌ای را نشان می‌دهد».
 


منبع: phys.org
كلمات كليدي :
مواد کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر
login