Optical characterization of excited-state spin Hamiltonians and clock transitions at telecommunication wavelength in Tm3+:YAlO3
تُوصّف هذه الورقة الخصائص المغناطيسية وتضع هيليتات السبين (spin Hamiltonians) لأدنى مستويات ستارك لمدارات 3F4 و3H4 في أيونات Tm3+:YAlO3 للتنبؤ بانتقالات الساعة الضوئية عند أطوال موجات الاتصالات السلكية واللاسلكية، بهدف تعزيز أزمنة التماسك الضوئي للتطبيقات الكمومية.
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 فيزياء الكم الهادئ وشديد البرودة، يبحث العلماء باستمرار عن طرق لجعل المعلومات تدوم لفترة أطول. تخيل أنك تحاول الاحتفاظ بفكرة رقيقة في ذهنك بينما يصرخ من حولك حشد صاخب؛ ستتلاشى الفكرة بسرعة. في عالم الكم، يتكون هذا "الحشد" غالبًا من مجالات مغناطيسية صغيرة متذبذبة تشتت المعلومات المخزنة في الذرات. ومن أجل بناء مستقبل الاتصالات الآمنة والحواسيب القوية، يحتاج الباحثون إلى ذرات يمكنها التمسك بحالتها الكمومية لفترة طويلة، حتى عندما لا تكون البيئة ساكنة تمامًا. وتتمثل إحدى الطرق الواعدة لحماية هذه الذرات في العثج بوجود إعداد خاص، نوع من "النقطة المغناطيسية المثالية"، حيث تصبح الذرة صماء مؤقتًا تجاه الضوضاء المحيطة بها. ويعتمد هذا المفهوم على فهم كيفية تفاعل الأجزاء الداخلية للذرة بدقة مع القوى المغناطيسية، وهي مهمة تتطلب رسم خريطة لمشهد طاقة الذرة بدقة متناهية.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة جنيف ومعهد بول شيرر خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال دراسة نوع محدد من الذرات: أيون الثوليوم، والمدمج داخل بلورة مصنوعة من بيروفسكيت اليتريوم والألومنيوم. هذه الأيونات مميزة لأنها يمكنها التفاعل مع الضوء عند طول موجي يبلغ حوالي 1451 نانومتر، وهو لون ينتقل بكفاءة عالية عبر كابلات الألياف الضوئية المستخدمة في شبكات الإنترنت والاتصالات العالمية. وبينما كان العلماء يعرفون بالفعل أن هذه الأيونات يمكنها تخزين المعلومات القائمة على الضوء، إلا أن الذاكرة كانت قصيرة العمر، حيث استمرت لبضع ميكروثوانٍ فقط قبل أن تتسبب الضوضاء المغناطيسية للبلورة في تلاشي المعلومات. أراد الباحثون فهم سبب حدوث ذلك بالضبط، والأهم من ذلك، كيفية إيقافه. وقد ركزوا على مستويي الطاقة المثارين لأيون الثوليوم المرتبطين بهذا الضوء الاتصالي، بهدف رسم خريطة للقواعد المغناطيسية غير المرئية التي تحكم كيفية انزياح وانقسام هذه المستويات عند تعرضها لمجال مغناطيسي.
وللقيام بذلك، وضع الفريق بلورة صغيرة تحتوي على أيونات الثوليوم داخل آلة قامت بتبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق، وهي درجة حرارة تزيد قليلاً عن النقطة التي تتوقف عندها جميع الحركات الجزيئية. ثم قاموا بتطبيق مجال مغناطيسي قوي ومنتظم على البلورة، مع تغيير قوة المجال والاتجاه الذي يشير إليه بعناية. وباستخدام ليزر دقيق، صنعوا "ثقوبًا" صغيرة في قدرة البلورة على امتصاص الضوء عند ترددات محددة. ومن خلال مراقبة كيفية تحرك مواقع هذه الثقوب وكيفية انقسامها مع تغير المجال المغناطيسي، استطاع الباحثون استنتاج الخصائص المغناطيسية الخفية للذرات الموجودة بالداخل. كان الأمر يشبه الاستماع إلى تغير نغمة الجرس عند نقره بقوى واتجاهات مختلفة لمعرفة المادة التي صُنع منها الجرس بالضبط.
كشفت القياسات عن خريطة مفصلة لكيفية سلوك أيونات الثوليوم. ووجد الفريق أن المجال المغناطيسي يسبب انزياح مستويات طاقة الأيونات بطريقة يمكن التنبؤ بها، لكن حجم هذا الانزياح يعتمد بشدة على اتجاه المجال بالنسبة للهيكل الداخلي للبلورة. وقاموا بحساب القيم المحددة التي تصف كيفية تفاعل دوران الإلكترون والنواة مع المجال المغغناطيسي، مما أدى إلى إنشاء وصف رياضي كامل يُعرف باسم "هاميلتوني السبين" (spin Hamiltonian). يعمل هذا الوصف بمثية مخطط، مما يسمح للعلماء بالتنبؤ بدقة بكيفية استجابة الذرة لأي مجال مغناطيسي قد يطبقونه في المستقبل. والأهم من ذلك، اكتشفوا أن التفاعل بين الإلكترون والنواة أقوى بكثير مما اقترحته بعض الحسابات السابقة، وهو ما يسلط الضوء على كيف أن الشكل الفريد للبيئة البلورية يغير سلوك الذرة.
ومع وجود هذا المخطط الجديد، تنبأ الباحثون بوجود "انتقالات الساعة الضوئية". وهذه هي تركيبات محددة جدًا من شدة المجال المغناطيسي واتجاهه حيث يصبح تردد الضوء الذي تمتصه الذرة محصنًا تقريبًا بشكل كامل ضد التقلبات الصغيرة في المجال المغناطيسي. في هذه النقاط الخاصة، تكون الذرة محمية فعليًا من الضوضاء التي تدمر معلوماتها الكمومية عادةً. حدد الفريق عدة نقاط مثل هذه، بما في ذلك نقطة يكون فيها شدة المجال المغناطيسي حوالي 30.88 ميلي تسلا ويشير إلى اتجاه محدد. عند هذا الإعداد الدقيق، تنخفض حساسية الذرة للضوضاء المغناطيسية بشكل كبير، مما يشير إلى إمكانية تمديد زمن الذاكرة بأكثر من عامل قدره ثلاثة عشر ضعفًا مقارنة بالإعدادات الأخرى.
لا يثبت هذا العمل بعد إمكانية بناء هذه الذكريات طويلة العمر، ولكنه يوفر خارطة الطريق الأساسية للقيام بذلك. فمن خلال تحديد الظروف الدقيقة التي تصبح فيها أيونات الثوليوم مستقرة، تفتح هذه الدراسة مسارًا واضحًا نحو إنشاء ذكريات كمومية ومصادر فوتونات فردية تعمل عند أطوال موجية للاتصالات. وإذا تمكن المهندسون من بناء أجهزة تعمل عند "نقاط الساعة" المتوقعة هذه، فقد يتمكنون أخيرًا من إطلاق العنان لإمكانات الشبكات الكمومية التي تمتد لمسافات طويلة، باستخدام البنية التحتية الحالية للألياف الضوئية لنقل معلومات تكون آمنة ولا يمكن تمييزها عن الضوء الذي نستخدمه كل يوم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.