انقلاب نانو در ارتباطات امن با کنترل تکفوتونها در دمای اتاق
پژوهشگران ژاپنی موفق شدند با استفاده از روشی مبتنی بر لیزر یک منبع نور کوانتومی را دقیقا درون یک نانولوله کربنی جایگذاری کنند؛ دستاوردی که میتواند راه را برای ارتباطات کوانتومی امن در دمای اتاق هموار کند.
به گزارش interesting engineering، نور که هماکنون حامل تماسهای تلفنی، ویدئوها و ایمیلهای ما از طریق فیبرهای نوری است از جنبهای کوانتومی نیز برخوردار است که میتواند شیوه ارتباطات را دگرگون کند. اگر بتوان اطلاعات را با استفاده از ذرات منفرد نور، یا فوتونها، منتقل کرد، میتوان سیستمهای ارتباطی ساخت که تقریبا غیرقابل نفوذ هستند. چالش اصلی یافتن روشی مطمئن برای تولید این فوتونهای منفرد در شرایط واقعی بوده است.
مشکل نور غیرقابل پیشبینی
برای تحقق ارتباطات کوانتومی منابع نوری باید فوتونها را یکییکی و نه به صورت دستهای منتشر کنند. اگرچه چندین ماده قادر به این کار هستند، اما اغلب نیازمند شرایط بسیار خاص مانند دماهای پاییناند. نانولولههای کربنی به دلیل توانایی انتشار فوتونهای منفرد در دماها و طول موجهای عملیاتی گزینهای جذاب برای توسعه دستگاههای کاربردی محسوب میشوند.
با این حال مشکل اصلی نانولولهها این بود که در طول خود چندین نقطه میتوانست نور ساطع کند و دانشمندان کنترل دقیقی بر تعداد یا محل شکلگیری این نقاط نداشتند. عدم کنترل دقیق نور ساطعشده را غیرقابل پیشبینی میکرد که برای فناوریهای کوانتومی غیرقابل قبول است. تا پیش از این هیچ روشی قادر به ایجاد تنها یک نقطه ساطعکننده نور در موقعیتی مشخص روی نانولوله نبود.
ایجاد یک فوتون منفرد در نانولوله کربنی
تیم پژوهشی کاتو با ترکیب فرآیند ساخت دقیق و پایش همزمان این مشکل را حل کردند. ابتدا یک نانولوله کربنی منفرد را روی یک شیار چند میکرومتری آویزان کردند تا کنترل بر طول آن آسانتر شود. سپس نانولوله را در معرض بخار ایودوبنزن قرار دادند، مادهای که در شرایط مناسب میتواند با کربن واکنش دهد.
مرحله کلیدی بعدی متمرکز کردن یک پرتو لیزر فرابنفش روی نقطهای مشخص از نانولوله بود. نور فرابنفش واکنشی میان نانولوله و مولکولهای ایودوبنزن ایجاد کرد و نقصی بسیار کوچک در ساختار کربنی شکل گرفت. این نقص که به رنگمرکز معروف است یک نقص کوانتومی مهندسیشده است که الکترونها و حفرههای جفتشده را محبوس کرده و انرژی آنها را به صورت نور منفرد (فوتون) آزاد میکند؛ به عبارت دیگر این نقطه به منبع نور کوانتومی نانولوله تبدیل شد.
تیم پژوهشی با پایش مداوم نور ساطعشده مطمئن شد که تنها یک رنگمرکز شکل میگیرد. به محض مشاهده تغییر شدت نور که نشاندهنده شکلگیری رنگمرکز بود، واکنش متوقف شد. آنها همچنین با حرکت دادن پرتو لیزر توانستند محل رنگمرکز را با دقت حدود یک میکرومتر کنترل کنند. به گفته پژوهشگران این سطح از کنترل راه را برای توسعه مدارهای فوتونیکی مقیاسپذیر در دمای اتاق و در طول موجهای مخابراتی هموار میکند.
این پیشرفت میتواند امکان ادغام مستقیم نانولولههای کربنی در شبکههای فیبر نوری موجود را فراهم کند و در آینده نزدیک دستگاههای ارتباطی فوق امنی بسازد که هرگونه تلاش برای رهگیری سیگنال را به سرعت آشکار میکند.
با این حال تولید انبوه و قابل اعتماد تعداد زیادی از منابع فوتون منفرد و ادغام آنها در مدارهای فوتونیکی پیچیده روی تراشه هنوز چالش برانگیز است. پژوهشگران برنامه دارند در گام بعدی این منابع را روی تراشهها ادغام کنند تا بتوانند با تولیدکنندگان تجهیزات فوتونیکی برای کاربردهای واقعی همکاری کنند.
مطالعه مذکور در نشریه Nano Letters منتشر شده است.
انتهای پیام/
