ایجاد پیوند فوق‌قوی بین نور و ماده در یک محفظه سه‌بعدی +فیلم
برنا - گروه علمی و فناوری: محققان موفق به برقراری پیوند فوق‌قوی بین فوتون‌ها و الکترون‌ها شدند، کشفی که می‌تواند پایه‌گذار فناوری‌های نوین در محاسبات و ارتباطات کوانتومی باشد.
یک تیم از محققان دانشگاه رایس روشی جدید برای کنترل تعاملات نور با استفاده از ساختار مهندسی‌شده خاصی به نام محفظه کریستالی فوتونیک سه‌بعدی توسعه داده است.
این تحقیق که در مجله Nature Communications منتشر شده، زمینه‌ساز فناوری‌هایی است که می‌توانند پیشرفت‌های تحولی در زمینه‌های محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و دیگر فناوری‌های مبتنی بر کوانتوم ایجاد کنند.
فویانگ تای، فارغ‌التحصیل برنامه فیزیک کاربردی دانشگاه رایس و نویسنده اصلی این مطالعه گفت: «تصور کنید در اتاقی ایستاده‌اید که با آینه‌ها احاطه شده است. اگر یک چراغ قوه را روشن کنید، نور به طور مداوم در اتاق بازتاب می‌شود. این مشابه عملکرد یک محفظه اپتیکی است، یک ساختار طراحی‌شده که نور را بین سطوح بازتابی محبوس کرده و اجازه می‌دهد نور در الگو‌های خاصی به عقب و جلو پرتاب شود.»
این الگو‌ها با فرکانس‌های گسسته به نام حالت‌های محفظه شناخته می‌شوند و می‌توانند برای تقویت تعاملات نور-ماده مورد استفاده قرار گیرند. این موضوع ممکن است در پردازش اطلاعات کوانتومی، توسعه لیزر‌ها و حسگر‌های دقیق، و ساخت مدار‌های فوتونیکی بهتر و شبکه‌های فیبر نوری مفید باشد. ساخت محفظه‌های اپتیکی دشوار است، به همین دلیل بیشتر محفظه‌های استفاده‌شده دارای ساختار‌های ساده و یک‌بعدی هستند.
تای به همراه علی مجیب‌پور، فارغ‌التحصیل دکتری دانشگاه رایس و سایر اعضای تیم، محفظه اپتیکی پیچیده سه‌بعدی ساختند و از آن برای مطالعه چگونگی تعامل حالت‌های مختلف محفظه با لایه‌ای نازک از الکترون‌های آزاد که تحت تأثیر میدان مغناطیسی ایستا قرار دارند، استفاده کردند. سوال کلیدی که هدایت‌کننده تحقیقات آنها بود این بود که چه اتفاقی می‌افتد زمانی که حالت‌های مختلف محفظه به طور هم‌زمان با الکترون‌ها تعامل می‌کنند.
به گزارش فیزیکس اوآرجی، جونیشیرو کونو، استاد مهندسی و علوم مواد در دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مطالعه، توضیح داد: «این که الکترون‌ها به طور قوی با یکدیگر تعامل دارند، موضوعی شناخته‌شده است، اما فوتون‌ها این‌طور نیستند. این محفظه نور را محبوس می‌کند که باعث تقویت شدید میدان‌های الکترومغناطیسی می‌شود و به پیوند قوی بین نور و ماده منجر می‌شود، که منجر به ایجاد حالت‌های ابرموقعیت کوانتومی یا به اصطلاح پلاریتون‌ها می‌شود.»
پلاریتون‌ها که به عنوان حالت‌های هیبریدی نور-ماده شناخته می‌شوند، روشی برای کنترل و دستکاری نور در مقیاس‌های بسیار کوچک ارائه می‌دهند. این موضوع می‌تواند به توسعه سریع‌تر و کارآمدتر فناوری‌های محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی کمک کند. پلاریتون‌ها همچنین می‌توانند به صورت جمعی رفتار کنند و موجب ایجاد حالت‌های درهم‌تنیدگی کوانتومی شوند که برای ایجاد مدار‌ها و حسگر‌های جدید کوانتومی می‌توان از آنها استفاده کرد.
اگر تعامل بین فوتون‌ها و الکترون‌ها به حدی شدید باشد که تبادل انرژی بین نور و ماده آنقدر سریع رخ دهد که به دشواری تجزیه شود، یک رژیم جدید به نام «پیوند فوق‌قوی» ایجاد می‌شود.
تای که در حال حاضر محقق پسادکتری در دانشگاه کلمبیا است، افزود: «پیوند فوق‌قوی یک حالت غیرعادی از تعامل بین نور و ماده را توصیف می‌کند که در آن دو به طور عمیق با هم ترکیب می‌شوند.»
محققان از تابش تراهرتز برای مشاهده چگونگی پیوند حالت‌های محفظه و الکترون‌ها در داخل محفظه اپتیکی سه‌بعدی استفاده کردند، و با چالش‌های آزمایشی مانند نیاز به دما‌های فوق‌سرد و میدان‌های مغناطیسی قوی دست و پنجه نرم کردند.
آنها نه تنها متوجه شدند که حالت‌های مختلف محفظه با الکترون‌های متحرک در رژیم پیوند فوق‌قوی تعامل دارند، بلکه دریافتند که این پیوند چندحالتی نور-ماده به قطبش نور ورودی وابسته است، که یکی از دو نوع تعامل را تحریک می‌کند.
تای گفت: «بسته به قطبش نور، حالت‌های محفظه یا مستقل می‌مانند یا با هم ترکیب می‌شوند و حالت‌های هیبریدی جدیدی را شکل می‌دهند. این موضوع نشان می‌دهد که ما می‌توانیم مواد را به گونه‌ای مهندسی کنیم که حالت‌های مختلف محفظه از طریق الکترون‌ها در یک میدان مغناطیسی با یکدیگر تعامل کنند و حالت‌های جدید همبسته‌ای ایجاد کنند.»
اگر در ابتدا محققان عمدتاً بر این تمرکز داشتند که چگونه محفظه کریستالی فوتونیک سه‌بعدی موجب افزایش پیوند نور-ماده می‌شود، اما این کشف که این تنظیمات می‌توانند برای القای پیوند فوتون-فوتون میانجی‌شده توسط ماده مورد استفاده قرار گیرند، به عنوان یک «لحظه آها» در تحقیق شناخته شد.
اندری باییدن، استاد تحقیقاتی مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «این پیوند فوتون-فوتون میانجی‌شده توسط ماده می‌تواند منجر به پروتکل‌ها و الگوریتم‌های جدید در محاسبات و ارتباطات کوانتومی شود.»
آلساندرو آلاباستری، استاد مهندسی برق و کامپیوتر، به همراه استیون سندرز، محقق پسادکتری در آزمایشگاه او، شبیه‌سازی‌ای از ساختار محفظه توسعه دادند که خواص مواد و دینامیک میدان الکترومغناطیسی مشاهده‌شده در طول آزمایش را بازسازی کرد.
آلاباستری از تای برای علاقه‌مندی‌اش به درک جنبه شبیه‌سازی کار، علاوه بر جنبه تجربی، قدردانی کرد و گفت: «او یک آزمایشگر است، اما آنچه که برای من جالب بود این است که او واقعاً تمایل داشت قسمت محاسباتی کار را نیز یاد بگیرد.»
با ارائه رویکردی جدید برای مهندسی تعاملات نور-ماده و پیوند‌های فوق‌قوی فوتون-فوتون، یافته‌های این تحقیق راه را برای توسعه پردازنده‌های کوانتومی فوق‌کارآمد، انتقال داده با سرعت بالا و حسگر‌های نسل بعد هموار می‌کند.
کونو که مدیر مؤسسه اسمولی-کرل در دانشگاه رایس است، گفت: «پدیده‌ها یا حالت‌های کوانتومی به طرز مشهوری شکننده هستند. الکترودینامیک کوانتومی درون محفظه یک حوزه تحقیقاتی نوظهور در فناوری کوانتومی است، جایی که محیط محفظه فضایی کنترل‌شده برای محافظت و بهره‌برداری از حالت‌های کوانتومی فراهم می‌آورد. در دانشگاه رایس، ما در تحقیق در زمینه علوم کوانتومی بسیار فعال بوده‌ایم و در حال دست و پنجه نرم کردن با بزرگترین چالش‌های این حوزه هستیم.»
انتهای پیام/
انقلابی در محاسبات کوانتومی:
کشف راز پایداری کوانتومی؛
مدیر ارشد گوگل اعلام کرد:
جهشی در فناوری اسپینترونیک؛
کشف شگفت‌انگیز در دنیای کوانتوم؛
نظر شما
پیشنهاد سردبیر
پرونده ویژه
