ابداع سوئیچ‌های نوری اتمی برای کنترل 
تک فوتون‌ها

دانشمندان سوئیچ‌های نوری اتمی را برای کنترل تک فوتون‌ها در صورت نیاز ساختند. آن‌ها با چرخاندن کریستال‌های فوق‌نازک و استفاده از پرتوهای الکترونی، کنترل بی‌سابقه‌ای بر نور کوانتومی در مقیاس اتمی به دست آوردند.
به گزارش ایسنا، یک سوئیچ نوری را تصور کنید که آن‌قدر کوچک است که فقط از چند اتم ساخته شده و آن‌قدر دقیق است که نور را به‌صورت ذره‌ای آزاد می‌کند.
این سوئیچ‌های کوچک که «ساطع‌کننده‌های کوانتومی» نامیده می‌شوند، یکی از اجزای اصلی فناوری‌های آینده مانند رایانه‌های کوانتومی، شبکه‌های ارتباطی فوق‌امن و حسگرهای بسیار حساس در نظر گرفته می‌شوند.
به نقل از آی‌ای، سال‌هاست که دانشمندان برای درک کامل و کنترل آن‌ها تلاش کرده‌اند؛ اما این وضعیت برای مدت طولانی ادامه نخواهد داشت.
اکنون محققان در ایالات متحده در یک مطالعه جدید، فرایند شناسایی، طراحی و قرار دادن منابع تک فوتونی با دقت اتمی داخل مواد فوق نازک را روشن کرده‌اند.
این دستاورد یکی از بزرگ‌ترین موانع در علم مواد کوانتومی را از بین می‌برد و دستگاه‌های کوانتومی کاربردی را بسیار به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.
ساطع‌کننده‌ها یا منتشرکننده‌های کوانتومی با آزاد کردن فوتون‌های منفرد در صورت نیاز کار می‌کنند. این توانایی بسیار مهم است؛ زیرا فناوری‌های کوانتومی به کنترل مطلق بر نور و اطلاعات متکی هستند.
مشکل همیشه قابلیت مشاهده و کنترل بوده است. نقص‌های اتمی دقیق مسئول این ساطع‌کننده‌ها، فوق‌العاده کوچک هستند و مشاهده آن‌ها دشوار است. دانشمندان می‌توانند نحوه انتشار نور آن‌ها را مطالعه یا ساختار اتمی آن‌ها را بررسی کنند؛ اما نمی‌توانند هر دو را هم‌زمان مطالعه کنند.
جیانگو ون (Jianguo Wen) یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشمند مواد در آزمایشگاه ملی آرگون می‌گوید: چالش در مطالعه ساطع‌کننده‌های کوانتومی این است که رفتار نوری آن‌ها توسط ساختار اتمی آن‌ها تعیین می‌شود که مشاهده مستقیم آن بسیار دشوار است.
این محدودیت اساسی مدت‌هاست که ساطع‌کننده‌های کوانتومی را مرموز و مهندسی آن‌ها را دشوار نگه داشته است. با این حال، تحقیقات جدید سرانجام با استفاده از یک رویکرد هوشمند بر این بده‌بستان غلبه می‌کند.
نویسندگان این مطالعه بر «نیترید بور» شش‌ضلعی، یک کریستال دوبعدی فوق‌نازک که تنها چند اتم ضخامت دارد و از قبل به‌عنوان میزبان ساطع‌کننده‌های کوانتومی شناخته شده است، تمرکز کردند.
آن‌ها از یک ابزار قدرتمند سفارشی به نام «میکروسکوپ نانومواد الکترونی ساطع‌کننده کوانتومی» (QuEEN-M) استفاده کردند. این میکروسکوپ پیشرفته، تصویربرداری در مقیاس اتمی را با تکنیکی به نام طیف‌سنجی کاتدولومینسانس (CL) ترکیب می‌کند.
به عبارت ساده، محققان یک پرتو الکترونی کاملاً متمرکز را به ماده شلیک کردند. هنگامی که الکترون‌ها به نقصی در کریستال برخورد می‌کنند، آن نقص، نور ساطع می‌کند. دانشمندان با مطالعه رنگ و روشنایی نور ساطع شده می‌توانند دقیقاً بفهمند که کدام ساختارهای اتمی مسئول آن هستند.
این رویکرد یک مشکل دیرینه را حل کرد. به‌طور معمول، مطالعه انتشار نور نیاز به نمونه‌های ضخیم‌تر دارد؛ در حالی که مطالعه ساختار اتمی به نمونه‌های بسیار نازک نیاز دارد. بنابراین «QuEEN-M» به محققان اجازه داد تا هر دو را به‌طور هم‌زمان انجام دهند و انتشار نور را مستقیماً به نقص‌های اتمی خاص مرتبط کنند.
این تمام ماجرا نیست؛ محققان کشف مهم دیگری انجام دادند و آن، پیچاندن لایه‌های نیترید بور شش ضلعی در زوایای خاص بود که رابط‌های پیچ‌خورده خاصی ایجاد کرد که سیگنال نوری ساطع‌کننده‌های کوانتومی را به طرز چشمگیری (گاهی اوقات تا ۱۲۰ برابر) افزایش داد.
این سیگنال قوی‌تر، امکان مکان‌یابی ساطع‌کننده‌ها را با دقت فوق‌العاده‌ای (تا کمتر از ۱۰ نانومتر) فراهم کرد. محققان با استفاده از این دقت افزایش‌یافته، ساختار اتمی یک ساطع‌کننده کوانتومی آبی را شناسایی کردند و معلوم شد که این ساطع‌کننده یک دیمر کربنی است که شامل دو اتم کربن است که به‌صورت عمودی درون کریستال قرار گرفته‌اند.
علاوه بر این، توماس گیج (Thomas Gage)، یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشمند آزمایشگاه آرگون گفت: هنگامی که توانستیم ساختار اتمی را با نوری که ساطع می‌کند متصل کنیم، دری به سوی مهندسی دقیق این ساطع‌کننده‌های کوانتومی باز شد. این بدان معناست که اکنون می‌توانیم آن‌ها را با استفاده از پرتو الکترونی ایجاد و تنظیم کنیم.
این کار نشان‌دهنده یک تغییر عمده از کشف ساده ساطع‌کننده‌های کوانتومی به مهندسی هدفمند آن‌هاست. دلیل این امر این است که توانایی قرار دادن منابع تک فوتونی دقیقاً در جایی که موردنیاز است، برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر ضروری است.
علاوه بر این، تراشه‌هایی که به ساطع‌کننده‌های کوانتومی با موقعیت دقیق متکی هستند، می‌توانند اطلاعات را با کارایی بیشتری پردازش کنند، داده‌ها را به‌طور ایمن منتقل و سیگنال‌ها را با حداقل تلفات تقویت کنند.
با این حال، با وجود پیشرفت‌ها، چالش‌هایی وجود دارد که همچنان باقی مانده‌اند. این تکنیک در حال حاضر به میکروسکوپ‌های بسیار تخصصی متکی است که تولید فوری در مقیاس بزرگ را محدود می‌کند.
تحقیقات آینده بر مقیاس‌پذیرتر کردن این روش‌ها و بررسی چگونگی تأثیر ساختارهای اتمی مختلف بر رفتار فوتون متمرکز خواهد بود.
این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.