مشاهده تنفس میان اتم‌ها!

مجموعه: نوآوری و کشفیات علمی

به گزارش ایسنا و به نقل از آی‌ای، پژوهشگران دانشگاه واشنگتن ارتعاش مکانیکی بین دو لایه اتم (نفس‌های اتم‌ها) را با مشاهده نوع نوری که آن اتم‌ها در هنگام تحریک توسط لیزر ساطع می‌شود، شناسایی کرده‌اند.

این پیشرفت جدید می‌تواند به روش جدیدی برای محاسبات کوانتومی منجر شود. در واقع، پژوهشگران دستگاهی را مهندسی کرده‌اند که می‌تواند به عنوان نوع جدیدی از آجرهای ساختمانی برای فناوری‌های کوانتومی عمل کند.

مو لی، نویسنده ارشد این پژوهش و استاد مهندسی برق و رایانه و فیزیک در دانشگاه واشنگتن می‌گوید: این یک سکوی جدید در مقیاس اتمی است که از آنچه جامعه علمی آن را «اپتومکانیک» (مکانیک نوری) می‌نامد، استفاده می‌کند که در آن نور و حرکات مکانیکی ذاتاً با هم جفت می‌شوند.

وی افزود: این نوع جدیدی از اثر کوانتومی درگیر را ارائه می‌دهد که می‌تواند برای کنترل فوتون‌های منفرد در مدارهای نوری یکپارچه برای بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد.

این مطالعه جدید مبتنی بر پژوهش پیشین است که یک شبه ذره در سطح کوانتومی به نام اکسایتون(exciton) را بررسی کرده بود. اطلاعات را می‌توان در یک اکسایتون کدگذاری کرد و سپس به شکل یک فوتون آزاد کرد که خواص کوانتومی آن می‌تواند به عنوان یک بیت کوانتومی اطلاعات یا «کیوبیت» با سرعت نور عمل کند.

فوتون (Photon) یک ذره بنیادی است. فوتون یک کوانتوم یا به ‌عبارتی کم‌ترین مقدار قابل اندازه‌گیری در یک میدان الکترومغناطیسی مانند تابش الکترومغناطیسی (نور و امواج رادیویی) محسوب می‌شود و همچنین در نقش حامل نیرو برای نیروی الکترومغناطیس  عمل می‌کند. فوتون‌ها جرم بسیار کمی (غیر قابل اندازه گیری)دارند و اگرچه سرعت فوتون به محیط بستگی دارد، اما در محیط خلأ، همواره با سرعتی برابر با سرعت نور معادل ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه حرکت می‌کنند.

مکانیک کوانتومی مانند همه ذرات بنیادی، بهترین توضیح را در مورد فوتون‌ها ارائه می‌نماید؛ ذراتی که مانند الکترون‌ها از خود دوگانگی موج و ذره نشان می‌دهند، به ‌طوری که دارای هر دو خاصیت موجی و ذره‌ای هستند. مفهوم مدرن فوتون از پژوهش‌های آلبرت اینشتین در طول دو دهه ابتدایی قرن بیستم سرچشمه می‌گیرد،

آدینا ریپین، نویسنده اصلی این پژوهش و دانشجوی دکترای فیزیک در دانشگاه واشنگتن می‌گوید: افق دید این پژوهش این است که برای داشتن یک شبکه کوانتومی عملی، باید راه‌هایی برای ایجاد، عملکرد، ذخیره و انتقال کیوبیت‌ها به طور قابل اعتماد داشته باشیم. فوتون‌ها یک انتخاب طبیعی برای انتقال این اطلاعات کوانتومی هستند، زیرا فیبرهای نوری ما را قادر می‌سازند فوتون‌ها را در فواصل طولانی با سرعت‌های بالا و با تلفات کم انرژی یا اطلاعات منتقل کنیم.

پژوهشگران در مرحله بعد تصمیم دارند آزمایش کنند که آیا می‌توانند این فونون‌ها(phonons) را برای فناوری کوانتومی با استفاده از ولتاژ الکتریکی مهار کنند یا خیر. آنها دریافتند که می‌توانند انرژی برهمکنش فوتون‌های مرتبط را به روش‌های قابل اندازه‌گیری و کنترل و در یک سیستم یکپارچه تغییر دهند.

فونون یک کوانتوم انرژی است. به برانگیزشِ تجمیعی اتم‌ها در یک ساختار بلوری، فونون می‌گویند. یا به بیانی ساده‌تر، نوسان‌های هماهنگ همه‌ی‌ اتم‌ها در یک ساختار بلوری را فونون می‌گویند. در فیزیک کوانتومی برای بیان این نوسان‌ اتم‌ها در شبکه بلور از مفهوم شبه‌ذره بهره‌می‌جویند که فونون نام دارد.

در فیزیک ماده چگال، فونون نقش بسیار مهمی دارد و در بسیاری از خاصیت‌های مواد جامد از جمله رسانایی گرمایی و رسانایی الکتریکی تاثیرگذار است.

پژوهشگران در مرحله بعد می‌خواهند قادر به کنترل چند تابشگر و حالت‌های فونون مرتبط با آنها باشند که گامی به سوی ایجاد یک پایه جامد برای مدارهای کوانتومی است.

لی در بیانیه‌ای گفت: هدف کلی ما ایجاد یک سیستم یکپارچه با تابشگرهای کوانتومی است که می‌تواند از فوتون‌های منفرد در مدارهای نوری و فونون‌های تازه کشف شده برای انجام محاسبات کوانتومی و سنجش کوانتومی استفاده کند.

این پیشرفت قطعا به این تلاش کمک خواهد کرد و به توسعه بیشتر محاسبات کوانتومی که در آینده کاربردهای زیادی خواهد داشت، منجر می‌شود.

در چکیده این پژوهش آمده است: مهندسی جفت شدن بین تحریکات کوانتومی بنیادی در قلب علم و فناوری کوانتومی قرار دارد. یک مورد برجسته، ایجاد منابع نور کوانتومی است که در آن جفت شدن بین فوتون‌ها و فونون‌ها می‌تواند کنترل و مهار شود تا انتقال اطلاعات کوانتومی امکان‌پذیر شود. در اینجا ما ایجاد قطعی تابشگرهای کوانتومی را گزارش می‌کنیم که دارای جفت شدن بسیار قابل تنظیم بین اکسایتون‌ها و فونون‌ها هستند.

این مطالعه در Nature Nanotechnology منتشر شده است.