Deterministic positioning accuracy of B centers in hBN by electron irradiation

في السعي لبناء الجيل القادم من الحواسيب الكمومية وشبكات الاتصالات الآمنة، يبحث العلماء عن مصادر ضوء صغيرة وموثوقة يمكنها حمل المعلومات فوتونًا تلو الآخر. تخيل جسيمًا واحدًا من الضوء يمكن تشغيله وإطفاؤه بدقة متناهية، ليعمل كحامل للبيانات الكمومية. ولجعل هذه الأنظمة تعمل، يحتاج الباحثون إلى وضع هذه المصادر الضوئية بدقة في الأماكن التي تبرز فيها، وغالبًا ما يكون ذلك داخل هياكل مجهرية توجه إشارتها وتضخمها. والمادة المختارة لهذه المهمة هي نتريد البورون السداسي، وهو بلورة رقيقة كرقاقة الورقة ولكنها قوية ومستقرة للغاية. وداخل هذه البلورة، يمكن للعلماء إنشاء عيوب محددة — وهي شوائب طفيفة في البنية الذرية — تتوهج بضوء فريد وساطع. هذه العيوب هي باعثات الفوتون الواحد، وهي اللبنات الأساسية لتقنيات الكم المستقبلية. ومع ذلك، فإن مجرد إنشائها ليس كافيًا؛ بل يجب وضعها بدقة متناهية. فإذا كان مصدر الضوء بعيدًا عن المركز ولو قليلاً في جهاز بصري دقيق، فقد يفشل الجهاز في العمل، تمامًا مثل مفتاح منحني قليلاً لا يمكنه الدوران في القفل.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة باريس ساكلي في فرنسا خطوة مهمة نحو حل مشكلة التموضع هذه. فقد ركزوا على نوع معين من العيوب في نتريد البورون يُعرف باسم "مركز B"، والذي ينبعث منه ضوء أزرق مميز. يمكن إنشاء هذه العيوب عند الطلب عن طريق إطلاق حزمة من الإلكترونات على البلورة، وهي عملية تحول العيوب غير المرئية الموجودة بالفعل إلى مصادر الضوء المطلوبة. ويكمكم التحدي في معرفة موقع حزمة الإلكترونات بالضبط عندما تنشئ الضوء. وقد سعى الباحثون لقياس مدى الدقة التي يمكنهم بها تحديد موقع هذه المصادر الضوئية الجديدة بالنسبة للمكان الذي أرادوا وضعها فيه. ومن خلال إنشاء شبكات من هذه الباعثات وقياس المسافة بين الهدف المنشود والموقع الفعلي للضوء، وجدوا أن العملية دقيقة للغاية، حيث تظهر مصادر الضوء ضمن نطاق يبلغ حوالي 40 نانومترًا من هدفها. وهذا المستوى من الدقة كافٍ للعديد من التطبيقات الحالية، لكن الفريق ذهب إلى أبعد من ذلك لفهم ما يحد من هذه الدقة وكيف يمكن تحسينها.

ولتحقيق ذلك، استخدم العلماء إعدادًا متطورًا داخل مجهر إلكتروني ماسح، وهو أداة قوية تستخدم حزمة مركزة من الإلكترونات لتصوير وتعديل المواد. فقد وضعوا شريحة رقيقة من بلورة نتريد البورون تحت الحزمة وبدأوا في إنشاء مصفوفات من مصادر الضوء. وبينما كانت حزمة الإلكترونات تمسح البلورة، راقب الباحثون شاشة في الوقت الفعلي، بحثًا عن اللحظة التي يظهر فيها مصدر ضوء جديد. وفي اللحظة التي يتم فيها اكتشاف التوهج الأزرق المحدد لـ "مركز B"، تتوقف الحزمة فورًا وتنتقل إلى النقطة التالية في الشبكة. سمحت هذه الطريقة بإنشاء أنماط دقيقة من مصادر الضوء الفردية. وبمجرد اكتمال عملية الإنشاء، استخدموا نوعًا آخر من المجاهر لرسم خرائط المواقع الدقيقة لهذه المصادر الجديدة. ومن خلال مقارنة خريطة المكان الذي ظهر فيه الضوء فعليًا مع الشبكة التي أراد الباحثون وضعها فيها، تمكنوا من حساب الخطأ في التموضع.

وكشف التحليل أن إجمالي الخطأ في وضع هذه المصادر الضوئية بلغ انحرافًا معياريًا قدره 40 نانومترًا تقريبًا. ولفهم سبب عدم هبوط مصادر الضوء تمامًا على الهدف، قام الباحثون بتفكيك الخطأ إلى أربعة أسباب متميزة. أولاً، هناك الدقة المتأصلة في الآلة نفسها، والتي تتحكم في مكان توجيه حزمة الإلكترونات؛ وقد ساهم ذلك بنحو 18 نانومترًا من عدم اليقين. ثانيًا، هناك الصعوبة في تحديد المركز الدقيق لمصدر الضوء بمجرد إنشائه، مما أضاف نحو 8 نانومترات من عدم اليقين. ثالثًا، وكان العامل الأكثر أهمية هو التفاعل الفيزيائي بين حزمة الإلكترونات والبلورة. فعندما تصطدم الحزمة بالمادة، فإنها لا تؤثر على نقطة واحدة فحسب، بل تنتشر الطاقة قليلاً أثناء انتقالها عبر البلورة، مما يخلق منطقة صغيرة يمكن أن يحدث فيها التحول. هذا الانتشار يعني أن مصدر الضوء يمكن أن يُنشأ في أي مكان داخل منطقة صغيرة حول مركز الحزمة، مما ساهم بنحو 27 نانومترًا في إجمالي الخطأ.

أما العامل الرابع، فكان مسألة صدفة تتعلق بالمكونات المتاحة داخل البلورة. فلكي يتم إنشاء "مركز B"، يجب على حزمة الإلكترونات أن تجد نوعًا معينًا من العيوب الموجودة مسبقًا، وهي زوج من ذرات الكربون، لتحويلها. وإذا كانت أزواج الكربون هذه نادرة، فقد تضطر الحزمة إلى السفر لمسافة أطر قليلاً أو قد تضطر الطاقة للانتشار بشكل أكبر للعثور على زوج لتحويله، مما يضيف طبقة أخرى من العشوائية. وقد حسب الباحثون أن ندرة هذه المكونات أضافت حوالي 23 نانومترًا إلى خطأ التموضع. وعند دمج كل هذه العوامل رياضيًا، تطابق الخطأ الإجمالي المتوقع مع قياساتهم الفعلية تقريبًا، مما أكد أنهم حددوا مصادر عدم الدقة بشكل صحيح.

وتخلص الدراسة إلى أنه بينما تعد الطريقة الحالية دقيقة للغاية بالفعل، إلا أن هناك مسارًا واضحًا لجعلها أفضل. ويقترح الباحثون أنه من خلال جعل البلورة أرق، يمكنهم تقليل انتشار طاقة حزمة الإلكترونات، ومن خلال زيادة عدد أزواج الكربون في البلورة عبر التطعيم المتعمد أثناء نموها، يمكنهم ضمان العثور على هدف فورًا. وإذا تم إجراء هذه التحسينات، يقدر الفريق أنه يمكن دفع دقة التموضع إلى أقل من 10 نانومترات. وسيكون هذا المستوى من الدقة بمثابة قفزة كبيرة، مما يسمح بإنشاء رقائق ضوئية كمومية معقدة ومتكاملة بالكامل حيث يتم وضع كل مصدر ضوء بدقة في المكان الذي يحتاجه تمامًا، مما يفتح الإمكانات الكاملة لهذه المواد لتقنيات الكم المستقبلية.