Optomechanical crystal in light-resilient quantum ground state
تقدم هذه الورقة تجويفاً بلورياً كهروميكانيكياً سيليكونياً بحجم شريحة، غير معلق، يحقق تشغيلاً في الحالة الأرضية الكمومية عند درجات حرارة شديدة البرودة مع تحسن ملحوظ في المرونة الحرارية وتخميد للتأثير الحراري البصري بمقدار 18 ديسيبل مقارنة بالتصاميم المعلقة، على الرغم من القيود الحالية في ديناميكيات التشغيل النبضي.
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 عالم العلوم الكمومية الهادئ، يحاول الباحثون باستمرار بناء جسور بين أنواع مختلفة من الطاقة. تخيل محاولة ربط موجة راديو، التي تحمل المعلومات في منزلك، بشعاع ضوء، الذي ينقل البيانات عبر الإنترنت. هذان النوعان من الطاقة عادة لا يتحدثان مع بعضهما؛ فهما يشبهان غرباء يتحدثون لغات مختلفة. ولجعلهما يتواصلان، يستخدم العلماء أجزاءً ميكانيكية صغيرة يمكنها الاهتزاز بسرعات عالية للغاية. تعمل هذه الأجزاء كمترجم عالمي، حيث تلتقط إيقاع إشارة الميكروويف وتحوله إلى اهتزاز، والذي يمكن بعد ذلك تحويله إلى ضوء. ومع ذلك، لكي يعمل هذا الترجمة بشكل مثالي، يجب أن يكون الجزء الميكانيكي ساكناً تماماً، موجوداً في أدنى حالة طاقة ممكنة له. فإذا تحرك الجزء ولو قليلاً بسبب الحرارة، فإنه يبدأ في الارتجاف بسبب الضوضاء الحرارية العشوائية، مما يؤدي إلى إفساد المعلومات الكمومية الدقيقة التي يحاول حملها.
لطالما كان التحدي هو الحفاظ على هذه الآلات الصغيرة باردة. تُبنى معظم هذه الأجهزة مثل جسور صغيرة معلقة في الهواء، معزولة عن بقية الشريحة لمنع فقدان الطاقة. وبينما يساعد هذا العزل في جعلها تهتز بنقاء، إلا أنه يعني أيضاً أنه ليس لديها وسيلة لتصريف الحرارة التي تولدها عند اصطدام الليزر بها. فالضوء الذي يُفترض أن يتحكم فيها ينتهي به الأمر بتسخينها، مما يخلق دورة من الضوضاء يصعب كسرها. لطالماً بحث العلماء عن تصميم يحافظ على قوة الاهتزاز الميكانيكي ولكن يسمح للحرارة بالهروب بسهء، وهو توازن ثبت صعوبة تحقيقه في شرائح السيليكون التي تشغل التكنولوجيا الحديثة.
لقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد الآن طريقة جديدة لحل هذه المشكلة. فبدلاً من تعليق جهازهم الميكانيكي في الهواء، قاموا ببنائه مباشرة على السطح الصلب للشريحة. يحافظ هذا التصميم "الخالي من التحرير" (release-free) على الاهتزاز الميكانيكي محبوساً بقوانين الفيزياء، وتحديداً ظاهرة ارتداد الموجات الصوتية ذهاباً وإياباً داخل المادة بدلاً من تسربها للخارج. ولأن الجهاز ملتصق بالشريحة، فإن أي حرارة يولدها الليزر لديها مسار مباشر للهروب إلى المادة المحيطة، لتعمل كمشتت للحرارة. اختبر الباحثون هذا التصميم الجديد داخل ثلاجة مبردة لدرجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، وهي أبرد بكثير من أشد الشتاءات برودة في القارة القطبية الجنوبية، لمعرفة مدى قدرته على التعامل مع الحرارة الناتجة عن شعاع الليزر.
أظهرت النتائج تحسناً كبيراً في كيفية تعامل الجهاز مع الضوء. فعندما وجه الباحثون ليزراً إلى النسخة المعلقة من الجهاز، تسببت الحرارة في تمدد المادة وتغيير خصائصها، مما أدى إلى تعطيل التجربة عند مستويات طاقة منخفضة نسبياً. وفي المقابل، استطاع التصميم الجديد "الخالي من التحرير" تحمل شعاع ليزر أقوى بنحو 35 ديسيبل قبل أن يظهر نفس المستوى من الاضطراب الحراري. ولو وضعنا ذلك في الاعتبار، فإن التصميم الجديد يمكنه التعامل مع شدة ضوء أكبر بآلاف المرات مما كان يتحمله التصميم القديم مع الاستمرار في الحفاظ على هدوء الاهتزاز الميكانيكي بما يكفي للعمل في الحالة الأرضية الكمومية. وهذا يعني أن الجهاز يمكنه معالجة المزيد من المعلومات أو العمل مع ضوء أقوى بكثير دون فقدان دقته الكمومية.
قام الفريق بقياس سلوك الجهاز من خلال عد الجسيمات الفردية للصوت، المعروفة باسم الفونونات (phonons)، التي تنتج عن الحرارة. ووجدوا أن التصميم الجديد حافظ على عدد هذه الاهتزازات غير المرغوب فيها بأقل من واحد، وهو حد مطلوب للعمليات الكمومية، حتى عندما كان الليزر يضخ طاقة أكبر بكثير من ذي قبل. لوحظ هذا الاستقرار في كل من التدفقات المستمرة من الضوء والنبضات السريعة. ومع ذلك، اكتشف الباحثون تعقيداً أيضاً؛ فبينما يبرد الجهاز بسرعة بعد نبضة الضوء، لم تكن عملية التبريد تتبع منحنى بسيطاً يمكن التنبؤ به. بدلاً من ذلك، بدا أن الحرارة تظل عالقة بطريقة لا تتلاشى بسلاسة، مما يشير إلى وجود مصدر خفي للضوضاء الحرارية لم يحدد الفريق ماهيته تماماً بعد. هذه الحرارة العالقة تمنع الجهاز من الأداء بشكل مثالي في التجارب النبضية السريعة، رغم أنه لا يزال يعمل بشكل جيد في العمليات المستمرة والثابتة.
على الرغم من هذا الغموض المتبقي، تمثل هذه النتائج خطوة مهمة إلى الأمام. تثبت الدراسة أن ربط هذه الهياكل الميكانيكية الدقيقة مباشرة بالشريحة لا يدمر قدرتها على الاهتزاز؛ بل على العكس، يجعلها أكثر متانة ضد الحرارة التي تولدها. ويشير الباحثون إلى أن هذه البنية الجديدة يمكن أن تكون مفتاحاً لبناء حواسيب وأنظمة اتصالات كمومية أفضل، حيث يعد تحويل الإشارات بين الموجات الميكروية والضوء أمراً ضرورياً. ومن خلال حل مشكلة الحرارة، فتحوا الطريق لاستخدام شرائح السيليكون هذه في تطبيقات عالية القدرة كانت مستحيلة في السابق. كما يوفر هذا العمل منصة جديدة للعلماء لدراسة كيفية انتقال الحرارة عبر الهياكل الدقيقة، مما يوفر رؤى يمكن أن تحسن تصميم الأجهزة الكمومية المستقبلية. ويتطلع الباحثون الآن إلى تحسين سطح الشرائح واختبار التصميم على مواد مختلفة لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم القضاء على الضوضاء العالقة وإطلاق العنان للإمكانات الكاملة لهذه الآلات الكمومية المقاومة للضوء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.