Temporal coherence of single photons emitted by hexagonal Boron Nitride defects at room temperature
تُظهر هذه الدراسة أنه بينما تُصدر عيوب نتريد البورون السداسي فوتونات مفردة في درجة حرارة الغرفة، فإن تماسكها الزمني محدود بشدة بسبب عمليات إزالة التماسك الفونوني السريعة، مما يشير إلى أن درجات الحرارة المبردة ضرورية للتطبيقات الفوتونية الكمومية القابلة للتطبيق والتي تعتمد على تداخل الفوتونات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في السعي لبناء نوع جديد من التكنولوجيا القائمة على القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية، يبحث العلماء عن مصادر موثوقة لجسيمات ضوئية مفردة. وتعد هذه المصادر ضرورية لمهام مثل الاتصالات فائقة الأمان والحوسبة القوية، حيث تُحمل المعلومات بواسطة فوتونات فردية بدلاً من تدفقات الكهرباء. ولكي تعمل هذه الأنظمة، يجب ألا تُبعث الفوتونات واحدة تلو الأخرى فحسب، بل يجب أن تكون متطابقة أيضاً، وقادرة على التداخل والتشابك مثل التموجات في بركة ماء. وهذه القدرة على البقاء في نفس الخط، والمعروفة بالترابط الزمني، هي المفتاح الذي يفتح آفاق إمكانات الشبكات الكمومية. وبينما يمكن لبعض المواد إنتاج هذه الفوتونات المثالية، إلا أنها غالباً ما تتطلب برودة شديدة لتعمل، مما يجعلها غير عملية للاستخدام اليومي. وقد برز نتريد البورون السداسي، وهو مادة رقيقة كسمك ورقة واحدة، كمرشح واعد لأنه يمكنه انبعاث الضوء في درجة حرارة الغرفة، مما يوفر مساراً نحو أجهزة كمومية لا تحتاج إلى تبريد ضخم.
لقد وضع فريق من الباحثين نصب أعينهم اختبار ما إذا كان بإمكان هذه البواعث التي تعمل في درجة حرارة الغرفة تلبية المتطلبات الصارمة للتداخل الكمومي حقاً. وقد ركزوا على عيوب دقيقة داخل بلورات نتريد البورون السداسي، والتي تعمل كمصادر طبيعية للفوتونات المفردة. أراد العلماء قياس المدة التي يظل فيها الضوء المنبعث من هذه العيوب مترابطاً، أو متناغماً مع نفسه، قبل أن تقوم الاهتزازات الفوضوية لذرات المادة بتشويش الإشارة. وللقيام بذلك، استخدموا أداة كلاسيكية في علم البصريات تسمى مقياس تداخل "ميكلسون"، والذي يقوم بتقسيم شعاع الضوء إلى مسارين ثم إعادة دمجهما. ومن خلال ضبط طول أحد المسارين بعناذ، استطاعوا إدخال تأخير طفيف بين نصفي شعاع الضوء. فإذا كانت الفوتونات مترابطة تماماً، فإنها ستتداخل مع بعضها البعض لتخلق نمطاً مرئياً من النطاقات المضيئة والمظلمة. وإذا فُقد الترابط، يختفي هذا النمط.
وكشفت التجارب عن واقع صارخ حول سلوك هذه البواعث في درجة حرارة الغرفة. فعندما أدخل الباحثون تأخيراً قدره بضع مئات من الفيمتو ثانية فقط —وهو مقياس زمني قصير جداً بحيث يعادل جزءاً من كوادريليون من الثانية— اختفى نمط التداخل تماماً. هذا الفقدان السريع للترابط يعني أن اهتزازات الذرات داخل البلورة، المعروفة باسم "الفونونات"، كانت تعطل الضوء بشكل فوري تقريباً. ووجدت الدراسة أن هذه العمليات المسببة للتشويش تحدث أسرع بأربعة أوامر مقدارية من الوقت الذي يستغرقه العيب لإطلاق الفوتون بشكل طبيعي. وبتعبير أبسط، يفقد الضوء قدرته على التداخل مع نفسه قبل أن ينتهي الذر حتى من مهمة إطلاقه. كما فحص الباحثون كيف يؤثر لون الليزر المستخدم لإثارة العيوت على هذا السلوك، ووجدوا أنه بينما يغير لون الليزر من السطوع والمزيج المحدد للضوء المنبعث، إلا أنه لم يقلل بشكل كبير من سرعة فقدان الترابط الناجم عن الحرارة واهتزازات بيئة درجة حرارة الغرفة.
كما أكد الفريق أن هذه العيوب هي بالفعل مصادر للفوتونات المفردة، مما يعني أنها تطلق جسيمات ضوئية واحداً تلو الآخر، وهو مطلب أساسي للتطبيقات الكمومية. ومع ذلك، فإن السرعة التي يُفقد بها الترابط تشير إلى أن التفاعل القوي بين الإلكترون والشبكة البلورية المهتزة هو العامل المهيمن. وهذا التفاعل قوي جداً في درجة حرارة الغرفة لدرجة أنه يمنع فعلياً استخدام هذه البواعث المحددة للبروتوكولات التي تعتمد على تداخل الفوتونات، مثل إنشاء أزواج متشابكة من الجسيمات. وأشار الباحثون إلى أنه بينما تعد هذه العيوب ساطعة ومستقرة بما يكفي لأنواع معينة من الاتصالات الكمومية التي لا تتطلب تداخلاً، فإن حلم استخدامها لمهام الحوسبة الكمومية الأكثر تقدماً في درجة حرارة الغرفة لا يزال بعيد المنال.
وفي الختام، خلصت الدراسة إلى أنه لاستغلال الإمكانات الكاملة لعيوب نتريد البورون السداسي هذه، يجب تبريد البيئة بشكل كبير. إن فقدان الترابط السريع المرصود هو نتيجة مباشرة للطاقة الحرارية الموجودة في درجة حرارة الغرفة، والتي تثير الشبكة البلورية. ويقترح المؤلفون أن العمل المستقبلي يجب أن يركز على وضع هذه العيوب في تجاويف بصرية عند درجات حرارة تبريد عميقة (كريوجينية)، حيث يتم تجميد الاهتزازات، مما يسمح للفوتونات بالحفاظ على ترابطها لفترة كافية لتكون مفيدة للعمليات الكمومية المعقدة. أما في الوقت الحالي، فإن هذه النتأيج تعمل بمثابة علامة حدودية واضحة: فبينما يعد نتريد البورون السداسي مادة رائعة لانبعاث الضوء في درجة حرارة الغرفة، فإن شكله الحالي ليس بعد حلاً لأكثر التقنيات الكمومية طلباً والتي تعتمد على التداخل دون الاستعانة ببرد شديد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.