🔘تبدیل یک ملکول آلی به یک سیستم کوانتومی همدوس

🔘تبدیل یک ملکول آلی به یک سیستم کوانتومی همدوس

به تازگی دانشمندان موفق شده‌اند با استفاده از یک مولکول، یک سیستم کوانتومی همدوس را ایجاد کنند که بازده بسیار بالایی دارد. تحقق چنین پدیده‌هایی می‌تواند موجب جهشی در فناوری‌های کوانتومی و فوتونیک شود. با دیپ‌لوک همراه باشید…
به تازگی محققان موسسه‌ی تحقیقاتی علوم نوری ماکس پلانک نشان داده‌اند یک مولکول می‌تواند به یک سیستم کوانتومی همدوس دو ترازه تبدیل شود. آنها در این پژوهش که نتیجه‌‌اش در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده، یک مولکول آلی را در یک ریزحفره‌ی نوری (optical microcavity) قرار داده‌ و متوجه شده‌اند مانند یک سیستم کوانتومی دو ترازه رفتار می‌کند. وحید صندوقدار (Vahid Sandoghdar) به عنوان رییس این تیم تحقیقاتی می‌گوید:

دهه‌هاست مولکول‌های آلی در موارد مختلفی، مطالعه و استفاده شده‌اند. گروه تحقیقاتی ما علاقمند بود تا این مولکول‌ها را در اندازه‌گیری‌های نوری کوانتومی بکار گیرند که به طور سنتی، روی اتم‌ها و در محفظه‌ی خلا انجام می‌شد.

صندوقدار و همکارانش متوجه شدند یک مولکول آلی که در حفره‌ی نوری قرار گرفته‌، در حقیقت مانند یک سیستم کوانتومی همدوس دو ترازه رفتار می‌کند. این پدیده محققان را قادر ساخته تا ۹۹ درصد یک اشعه‌ی لیزر را توسط یک تک‌مولکول جذب کنند. این بازده بالا در برهمکنش متقابل مولکول و فوتون، بدین معنی است که آنها می‌‌توانند یک مولکول را با نصف فوتون نیز اشباع کنند. این در حالی است که برای دستیابی به اشباع، به انرژی قابل توجهی نیاز است. داکینگ ونگ (Daqing Wang) که تز دکتری خود را در این پروژه انجام داده می‌گوید:

بالاترین مزیت سیستم ما این است که یک مولکول، به مدت چند روز و هفته دقیقا در همان مکان بلور اطرافش می‌نشیند، در حالیکه این زمان برای یک اتم، از مرتبه‌ی چند ثانیه است.

اثر مولکول بر طیف انتقالی حفره. فرکانس حفره بر حسب فرکانس مولکول تنظیم شده است (۱۲-۱). وقتی مولکول در حالت تشدید قرار دارد (۷ و ۸)، به کلی انتقال‌دهی حفره را مسدود می‌کند و حفره مانند یک آینه عمل می‌کند.
یک مولکول، چند تراز انرژی ارتعاشی (vibrational energy levels) دارد که کانال‌های چندگانه‌‌ای را برای بازگشت از حالت برانگیخته بدست می‌دهد. محققان برای تبدیل یک مولکول به یک سیستم کوانتومی همدوس دو ترازه، مجبور بودند سرعت یکی از انتقال‌ها را تا حدی افزایش دهند که نرخ بازگشت مولکول به ترازهای دیگر، قابل چشم‌پوشی باشد. به عبارت دیگر، این فرآیند مانع انتقال مولکول به ترازهایی می‌شود که محققان دوست ندارند. ونگ توضیح می‌دهد:

ما این مولکول را در یک حفره بین دو آینه با فاصله‌ی بسیار کم از مرتبه‌ی یک میکرومتر قرار دادیم. انتقالی که محققان برای افزایش سرعت انتخاب می‌کنند، در حالت تشدید با حفره قرار دارد، به گونه‌ای که یک فوتون می‌تواند بارها جلو و عقب برود که در نمونه‌ی ما، این تعداد، چند هزار بار است.

محققان این کار را در دمای ۲ کلوین انجام دادند تا مطمئن شوند آشفتگی گرمایی بلور، تاثیری در برهمکنش با نور لیزر ندارد. از طرفی آنها نشان داده‌اند یک سیستم مولکول-حفره‌ی آنها با یک تک فوتون که از یک مولکول ثانویه در یک آزمایشگاه دورتر تولید شده نیز، می‌تواند برهمکنش داشته باشد.

کاربرد و تاثیر سیستم کوانتومی همدوس در فناوری

صندوقدار می‌گوید:

سیستم‌های کوانتومی، اجزای بنیادی مهندسی کوانتومی هستند، اما این اجزا می‌توانند به آسانی خاصیت کوانتومی خود را از دست بدهند. رویای ما این است که تعدادی از این سیستم‌ها را به یکدیگر متصل کنیم، ضمن اینکه برهمکنش‌های شکننده‌ی کوانتومی آنها نیز حفظ شود. کار ما نشان می‌دهد یک مولکول آلی می‌تواند کاری که از یک سیستم کوانتومی ایده‌آل انتظار می‌رود، انجام دهد.

این پژوهش می‌تواند امکان توسعه‌ی مدارهایفوتونیک کوانتومی خطی و غیرخطی را بر پایه‌ی مواد آلی فراهم سازد. صندوقدار می‌گوید:

چیزی که ما تاکنون نشان داده‌ایم، این است که یک فوتون می‌تواند با یک مولکول، به شیوه‌ای موثر برهمکنش کند. اکنون ما در حال انجام این کار بر روی یک تراشه و سپس توسعه‌ی آن به یک مدار فوتونیک کوانتومی هستیم که در آن، تعداد زیادی مولکول توسط موج‌بَر‌های مولکولی به یکدیگر متصل هستند.

دانلود مقاله به صورت PDF

منبع: phys.org