نخستین ماده کوانتومی پایدار در دمای اتاق ساخته شد

پژوهشگران دانشگاه ایالتی لوئیزیانا (LSU) موفق به ساخت نوعی ماده کوانتومی جدید شده‌اند که برخلاف اغلب مواد کوانتومی، در دمای اتاق عملکرد خود را حفظ می‌کند. این دستاورد که نتایج آن در نشریه معتبر Nature منتشر شده است می‌تواند مسیر توسعه رایانه‌های کوانتومی، اینترنت کوانتومی، سامانه‌های ارتباطی پیشرفته و سلول‌های خورشیدی کارآمدتر را هموار کند.

به گزارش ساینس آلرت، مواد کوانتومی به دلیل برخورداری از خواص منحصربه‌فردی که با قوانین کلاسیک فیزیک تفاوت دارند از مهم‌ترین حوزه‌های پژوهشی در علم مواد و فناوری‌های نوین به شمار می‌روند. با این حال اغلب این مواد تنها در دما‌های بسیار پایین و در شرایط سرمایش برودتی (کرایوژنیک) پایدار می‌مانند، موضوعی که استفاده عملی از آنها را با محدودیت‌های جدی روبه‌رو کرده است.

اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه ایالتی لوئیزیانا موفق شده‌اند ماده‌ای طراحی کنند که رفتار‌های کوانتومی را بدون نیاز به سرمایش شدید و در دمای معمولی محیط حفظ می‌کند.

این ماده از یک لایه بسیار نازک طلا که روی یک تراشه شیشه‌ای قرار گرفته و با شکاف‌هایی در مقیاس میکروسکوپی الگودهی شده است تشکیل شده است. طراحی این ساختار به گونه‌ای است که به جای اتکا به رفتار الکترون‌ها و اتم‌ها از فوتون‌ها یا ذرات نور برای ایجاد و کنترل حالت‌های کوانتومی استفاده می‌کند؛ رویکردی که اثرات مخرب گرما بر رفتار کوانتومی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

پژوهشگران این ساختار را متابلور پلاسمونیکی (Plasmonic Metacrystal) نامیده‌اند. واژه پلاسمونیکی به این دلیل به کار می‌رود که نور هنگام حرکت روی سطح طلا نوساناتی از الکترون‌ها موسوم به پلاسمون ایجاد می‌کند و متابلور نیز به کریستالی مصنوعی اشاره دارد که به‌صورت مهندسی‌شده ساخته شده است.

در این ساختار شکاف‌های بسیار کوچک ایجادشده روی سطح طلا نقش متااتم یا اتم‌های مصنوعی را ایفا می‌کنند. این متااتم‌ها تعیین می‌کنند که گروه‌های مختلف فوتون‌ها چگونه از داخل ساختار عبور کنند و در نتیجه رفتار‌های کوانتومی نور را کنترل می‌کنند.

رایلی داوکینز فیزیکدان این پروژه گفت: با مهندسی نحوه توزیع متااتم‌ها در متابلور پلاسمونیکی می‌توانیم به‌طور سیستماتیک مشخص کنیم که کدام آمار‌های کوانتومی اجازه عبور از ساختار را داشته باشند. در واقع این بلور مانند یک فیلتر آماری برای حالت‌های کوانتومی عمل می‌کند.

به گفته پژوهشگران زمانی که نور وارد تراشه شده و روی سطح طلا حرکت می‌کند متااتم‌ها آن را کنترل و هدایت می‌کنند. با تغییر اندازه شکل و فاصله شکاف‌های میکروسکوپی می‌توان نحوه پردازش نور و حالت‌های کوانتومی آن را تغییر داد.

نتیجه این فرایند انتقال پایدارتر برخی حالت‌های کوانتومی نور است؛ به‌گونه‌ای که اطلاعات کوانتومی با اختلال بسیار کمتری جابه‌جا می‌شوند.

عمر ماگانا-لوایزا دیگر پژوهشگر این مطالعه اظهار کرد: ما این پدیده را انتقال پایدار (Robust Transport) می‌نامیم. این حالت‌های کوانتومی حامل اطلاعات هستند و بلور ما می‌تواند آنها را شناسایی کرده و بدون نیاز به سرمایش کرایوژنیک با پایداری بالا از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل کند. همین موضوع راه را برای توسعه فناوری‌های عملی کوانتومی باز می‌کند.

به گفته محققان این دستاورد هنوز در مرحله اثبات مفهوم (Proof of Concept) قرار دارد، اما نشان می‌دهد که اصول علمی لازم برای ساخت سامانه‌های کوانتومی قابل استفاده در دمای محیط کاملاً امکان‌پذیر است.

چنگ‌لونگ یو از دیگر اعضای تیم تحقیقاتی گفت: هیجان‌انگیزترین بخش این پروژه برای ما این بود که توانستیم ماده‌ای بسازیم که طبیعت به‌طور طبیعی آن را در اختیار ما قرار نمی‌دهد. مشاهده اینکه این ماده دقیقاً مطابق پیش‌بینی‌های ما عمل کرد بسیار رضایت‌بخش بود.

پژوهشگران تاکید می‌کنند روش توسعه‌یافته در این تحقیق تنها به این ماده محدود نیست و می‌تواند به‌عنوان نقشه راهی برای ساخت نسل‌های جدیدی از مواد کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد. با تغییر اندازه و فاصله شکاف‌های میکروسکوپی می‌توان ویژگی‌های نوری و کوانتومی این بلور‌ها را متناسب با کاربرد‌های مختلف تنظیم کرد.

اگرچه پیش از این نیز نمونه‌هایی از رفتار مواد کوانتومی در دمای اتاق گزارش شده بود، اما پژوهشگران اعلام کرده‌اند این نخستین بار است که چنین رفتاری در یک تراشه پیشرفته مرتب‌سازی و کنترل نور با این سطح از قابلیت مهندسی به نمایش گذاشته می‌شود.

به اعتقاد محققان این فناوری می‌تواند در آینده در حوزه‌هایی مانند رایانش کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و اینترنت کوانتومی، سامانه‌های انتقال امن اطلاعات، حسگر‌های فوق‌دقیق و همچنین افزایش بازده سلول‌های خورشیدی نقش مهمی ایفا کند.

تیم تحقیقاتی در گام بعدی قصد دارد از این متابلور پلاسمونیکی برای هدایت بهتر نور ورودی به سلول‌های خورشیدی استفاده کند تا اتلاف انرژی به صورت گرما کاهش یافته و راندمان تبدیل انرژی خورشیدی افزایش یابد.

جنت‌ال فردوس یکی دیگر از اعضای این پروژه در پایان گفت: این پروژه تنها یک تحقیق علمی نبود بلکه تلاشی جمعی برای خلق فناوری کاملا جدیدی در حوزه کوانتوم به شمار می‌رفت. هیجان‌انگیزترین بخش آن این بود که نه‌تنها موفق به ایجاد یک کلاس جدید از مواد کوانتومی در دمای اتاق شدیم بلکه چارچوب نظری لازم برای درک و کنترل رفتار آن را نیز توسعه دادیم.

انتهای پیام/