Diamond optomechanical crystals for high-frequency strain and comb generation
يُظهر المؤلفون تجويفاً بلورياً ميكانيكياً ضوئياً من الماس يدعم رنينات ميكانيكية بتردد 12 جيجاهرتز، والتي تولد عند دفعها إلى تذبذبات ذاتية الاستمرار، مشطاً ترددياً بتردد 143 جيجاهرتز وتحقق انفعالاً ديناميكياً قدره ، وهو مستوى كافٍ للتحكم الميكانيكي الضوئي المستقبلي في الكيوبتات المغزلية للماس.
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
غالباً ما يُنظر إلى الضوء والحركة كعالمين منفصلين؛ فالضوء يندفع عبر الفضاء بسرعات هائلة، بينما الحركة هي الإزاحة البطيئة والثقيلة للأجسام الصلبة. ومع ذلك، في مجال متنامٍ من الفيزياء، يتعلم العلماء كيفية جعل هذين العالمين يتحدثان مع بعضهما البعض. إنهم يبنون آلات متناهية الصغر حيث يرتد الضوء ذهاباً وإياباً، مما يدفع المادة ويجذبها في آن واحد. وعندما يكون الضوء قوياً بما يكفي والآلة صغيرة بما يكفي، يمكن للفوتونات — وهي جسيمات الضوء — أن تبرد الآلة إلى أهدأ حالة ممكنة لها، أو يمكنها جعلها تهتز بدقة متناهية لتصبح أداة لاستشعار الكون. هذا التفاعل، حيث يتحكم الضوء في الحركة وتغير الحركةُ الضوءَ، هو الأساس لجيل جديد من التكنولوجيا التي قد تربط يوماً ما إشارات الموجات الدقيقة المستخدمة في هواتفنا بإشارات الضوء التي تنقل البيانات عبر الإنترنت.
ولكي يعمل هذا، يجب أن تكون المواد المستخدمة استثنائية؛ إذ يجب أن تكون صلبة بما يكفي لتهتز بسرعة كبيرة، وشفافة بما يكفي لتسمح بمرور ضوء مكثف دون أن تسخن، وقادرة على الاحتفاظ بالمعلومات الكمومية. ويعد الماس مرشحاً مثالياً؛ فهو أصلب مادة طبيعية، مما يعني أنه يمكنه الاهتزاز بسرعات عالية للغاية. كما أنه موصل ممتاز للحرارة، لذا لا ينصهر تحت قوة الليزر، ويمكنه احتواء عيوب دقيقة تعمل كبتات كمومية (quantum bits)، وهي الوحدات الأساسية للحواسيب الكمومية المستقبلية. لطالاً ما أراد الباحثون بناء أجهزة تستخدم الماس لتسخير هذا التفاعل، لكن جعل هيكل الماس صغيراً بما يكفي للتحكم في كل من الضوء والصوت في وقت واحد كان تحدياً صعباً.
لقد نجح فريق من الباحثين الآن في بناء نسخة عاملة من مثل هذا الجهاز. لقد صنعوا شعاعاً ضئيلاً من الماس أحادي البلورة، معلقاً في الهواء ومنمطاً بمصفوفة دقيقة من الثقوب. يعمل هذا الهيكل مثل مصيدة لكل من الضوء والصوت؛ حيث تم ترتيب الثقوب لإنشاء مرآة تعكس موجات الضوء والصوت عائدة إلى مركز الشعاع، مما يحافظ على حصرها في مساحة صغيرة جداً. صمم الباحثون هذا الشعاع ليكون ضيقاً للغاية، بعرض لا يتجاوز بضع مئات من النانومترات، مما يجبر موجات الضوء والصوت على التفاعل بقوة. وعندما يسلطون ليزراً في شعاع الماس هذا، لا يمر الضوء عبره فحسب، بل يدفع الماس، مما يسبب اهتزازه. ولأن الماس صلب للغاية، تحدث هذه الاهتزازات بتردد يصل إلى حوالي 12 مليار دورة في الثانية، وهي سرعة تفوق قدرة الأذن البشرية على سماعها، لكنها مثالية للتكنولوجيا عالية السرعة.
وجد الفريق أنه يمكنهم جعل شعاع الماس هذا يهتز من تلقاء نفسه، دون أي هز خارجي. فمن خلال ضبط الليزر على تردد محدد، دفعوا النظام لتجاوز نقطة تحول بدأ فيها الضوء يضخ الطاقة في الحركة بشكل أسرع مما يمكن للماس فقدانه. تسبب هذا في دخول الشعاع في حالة من التذبذب المستدام ذاتياً، حيث يهتز باستمرار بسعة كبيرة. وبينما كان الماس يهتز، قام بتعديل الضوء المار من خلاله، مما خلق سلسلة من ترددات الضوء الجديدة، أو الألوان، المتباعدة بانتظام. تُعرف هذه المجموعة من الألوان باسم "المشط الترددي" (frequency comb). وفي هذه التجربة، أنتج الباحثون مشطاً يمتد عبر نطاق قدره 143 مليار دورة في الثانية، مع تباعد بين الألوان يبلغ 12 مليار دورة في الثانية. وهذا نطاق أوسع وتباعد أكبر مما تم تحقيقه في أجهزة مماثلة مصنوعة من مواد أخرى، مما يظهر القوة الفريدة لمنصة الماس.
ومن خلال تحليل شكل وكثافة هذا المشط الضوئي، تمكن الببحاث من قياس مدى حركة الماس بدقة. وقد حسبوا أن سطح الماس يتحرك ذهاباً وإياباً بمسافة قدرها 130 بيكومتر. ولوضع ذلك في المنظور، فإن هذه المسافة تعادل تقريباً عرض ذرة واحدة، لكن الحركة تحدث بسرعة 12 مليار مرة في الثانية. وتخلق هذه الحركة مقداراً هائلاً من الإجهاد، أو التمدد والتقلص، داخل الشبكة البلورية للماس. وقد وصل إجمالي الإجهاد إلى مستوى 0.0011، وهو أكثر من خمسين ضعفاً لما تم تحقيقه في تجارب الماس السابقة. وهذا المستوى من الإجهاد مهم لأنه قوي بما يكفي للتحكم المحتمل في الحالات الكمومية للعيوب داخل الماس.
تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد إنشاء نوع جديد من مصادر الضوء؛ فالقدرة على توليد مثل هذا الإجهاد القوي عند هذه الترددات العالية تفتح مساراً مباشراً للتحكم في البتات الكمومية الموجودة في الماس. هذه البتات الكمومية، وهي عيوب في بلورة الماس، يمكن التحكم فيها عن طريق الإجهاد الميكانيكي للشعاع المهتز. وقد أظهر الباحثون أن جهازهم يمكن أن ينتج مستويات إجهاد كافية للتأثير على هذه الحالات الكمومية، مما يشير إلى طريقة لربط الحركة الميكانيكية للماس بخصائصه الكمومية الداخلية. قد يؤدي هذا إلى طرق جديدة لتخزين المعلومات أو تحويل الإشارات بين أشكال الطاقة المختلفة. ويعمل الجهاز في درجة حرارة الغرفة، وهي ميزة رئيسية، حيث لا يتطلب البرودة الشديدة التي عادة ما تكون ضرورية للتجارب الكمومية. وقد أكد الباحثون نتائجهم من خلال قياسات مفصلة لتفاعلات الضوء والصوت، مما أثبت صحة النماذج النظرية لكيفية اقتران الضوء والحركة في الماس.
يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة للأمام في مجال "الأوبتوميكانيكا" (optomechanics). فمن خلال إثبات أن بلورة الماس يمكنها دعم الاهتزازات عالية التردد والتفاعلات القوية بين الضوء والمادة في درجة حرارة الغرفة، قدم الفريق منصة قوية للتجارب المستقبلية. الجهاز قادر على توليد أنماط معقدة من الضوء وبذل قوى ميكانيكية دقيقة، وكل ذلك داخل هيكل أصغر من شعرة الإنسان. ويشير نجاح هذه التجربة إلى أن الأنظمة القائمة على الماس يمكن أن تصبح أداة قياسية لبناء التقنيات الكمومية، مما يوفر طريقة لسد الفجوة بين العالم الميكانيكي والعالم الكمومي. ويخطط الباحثون لاتخاذ الخطوة التالية من خلال دمج عيوب كمومية محددة في هذه الأشعة المهتزة، بهدف إثبات التحكم المباشر في الحالات الكمومية باستخدام الحركة الميكانيكية. يضع هذا العمل حجر الأساس لمستقبل تتكامل فيه الضوء والحركة والمعلومات الكمومية بسلاسة في تقنية واحدة قوية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.