← أحدث الأبحاث
🔬 فيزياء المقياس المتوسط

Room-temperature near-infrared optical readout of triplet spin states integrated in carbon nanotubes towards quantum sensing

تقدم هذه الورقة عيوب "بارا-هالفينيل" الكمومية في الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار كمنصة بصرية متينة بالأشعة تحت الحمراء القريبة في درجة حرارة الغرفة لتهيئة وقراءة حالات السبين الثلاثية، مما يتيح استشعارًا كميًا عالي الاستقرار الضوئي للجزيئات البارامغناطيسية في الظروف المحيطة.

المؤلفون الأصليون: J. Alejandro de Sousa, Ilias Vandevenne, Jana Nikolić, Tuur Boonen, Etienne Goovaerts, Sofie Cambré

نُشر 2026-10-22
📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة
CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: J. Alejandro de Sousa, Ilias Vandevenne, Jana Nikolić, Tuur Boonen, Etienne Goovaerts, Sofie Cambré

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

تخيل عالماً يمكن فيه لمستشعرات متناهية الصغر أن ترصد أخفت الهمسات المغناطيسية لجزيء واحد، وهي لا تعمل في مختبر متجمد، بل هنا تماماً في دفء غرفة عادية. هذا هو الوعد الذي يقدمه الاستشعار الكمي، وهو مجال يسعى لاستخدام القواعد الغريبة لعالم الكم لقياس الأشياء بدقة مستحيلة. لسنوات، اعتمد العلماء على عيوب محددة في المواد الصلبة، مثل الثقوب الصغيرة في الألماس، لتعمل كمستشعرات. يمكن لهذه العيوب أن تحمل نوعاً معيناً من "اللف المغزلي" (spin)، وهي خاصية كمية تعمل كإبرة بوصلة صغيرة، ويمكن للباحثين قراءة اتجاه هذه الإبرة باستخدام الضوء. ومع ذلك، فإن هذه المستشعرات الصلبة يصعب وضعها بدقة في الأماكن التي تشتد الحاجة إليها، وغالباً ما يكون من الصعب ضبطها. ومن ناحية أخرى، حاول العلماء بناء مستشعرات من الصفر باستخدام الجزيئات العضوية، لكن هذه الجزيئات تميل إلى أن تكون هشة وغير مستقرة في الظروف العادية. كان التحدي يكمن في إيجاد مادة تجمع بين استقرار المادة الصلبة ومرونة ودقة الجزيء، كل ذلك مع العمل في درجة حرارة الغرفة.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة لتحويل أنبوب كربوني نانوي بسيط إلى مستشعر كهذا. الأنابيب الكربونية النانوية هي هياكل رقيقة للغاية على شكل أنابيب مكونة من ذرات الكربون، وتشتهر بقوتها وخصائصها الكهربائية الفريدة. أخذ الباحثون هذه الأنابيب وربطوا بها كيميائياً مجموعات صغيرة من الذرات على سطحها، مما خلق ما يسمى بـ "العيوب". فكر في هذه العيوب كاختلالات متعمدة تحبس الطاقة. عندما سلط الفريق ضوء ليزر بلون محدد على هذه الأنابيب المعدلة، شكلت الطاقة المحبوسة حالة خاصة تسمى "الإكسيتون الثلاثي" (triplet exciton). تتصرف هذه الحالة مثل مغناطيس صغير له لف مغزلي يمكن التحكم فيه. ويتمثل الاختراق في هذا العمل في أن الفريق أثبت قدرته على تهيئة حالة اللف هذه وقراءتها باستخدام الضوء، وكل ذلك بينما كانت الأنابيب موضوعة في سائل في درجة حرارة الغرفة. وقد حققوا ذلك باستخدام تقنية الرنين المغناطيسي المكتشف ضوئياً، والتي تتضمن تسليط موجات ميكروويف على العينة لقلب حالات اللف ومراقبة كيفية تغير الضوء المنبعث من الأنابيب استجابة لذلك.

اختبر الباحثون هذه الطريقة باستخدام أنابيب نانوية ملفوفة في بوليمر وموزعة في مذيب سائل. قاموا بربط أنواع مختلفة من ذرات الهالوجين بالأنابيب ووجدوا أن النظام يعمل بشكل موثوق بغض النظر عن الذرة التي استخدموها. وكان الاكتشاف الأكثر إثارة هو كيفية سلوك الإشارة اعتماداً على اتجاه الأنابيب النانوية بالنسبة للمجال المغناطيسي. فعندما كانت الأنابيب مصطفة بشكل موازٍ للمجال المغناطيسي، تغيرت الإشارة بطريقة مختلفة تماماً عما كانت عليه عندما كانت مصطفة في اتجاهات أخرى. لم يُلاحظ هذا السلوك في درجات الحرارة المنخفضة جداً، بل ظهر مع ارتفاع درجة الحرارة، ليصبح مستقراً في درجة حرارة الغرفة. ويقترح الفريق أن هذا السلوك الفريد ينشأ لأن الحرارة تساعد في خلط حالات طاقة مختلفة داخل الأنبوب النانوي، مما يسمح لـ "اللف المغزلي" بالاصطفاف بطريقة تجعل من السهل اكتشافها بالضوع. تسمح هذه الآلية للمستشعر بالعمل دون الحاجة إلى البرودة الشديدة التي تتطلبها عادة مثل هذه القياسات الكمية الدقيقة.

ولإثبات أن هذا المستشعر الجديد يمكنه اكتشاف الأشياء بالفعل، اختبره الباحثون مقابل جزيء مستقر وعائم بحرية يُعرف باسم "الجذر الحر" (radical). فعندما أضافوا هذه الجزيئات الجذرية إلى المحلول الذي يحتوي على الأنابيب النانوية، انخفضت الإشارة الصادرة من الأنابيب النانوية بشكل كبير. حدث هذا الانخفاض لأن الطبيعة المغناطيسية للجزيئات الجذرية تداخلت مع حالات اللف المغزلي للأنابيب النانوية، مما أدى إلى تشويش المعلومات. والأهم من ذلك، عندما اختبروا جزيئاً مشابهاً يفتقر إلى هذه الخاصية المغناطيسية، ظلت الإشارة دون تغيير. وقد أكد هذا أن المستشعر كان يستجيب تحديداً للوجود المغناطيسي للجزيئات المستهدفة، وليس مجرد وجودها الفيزيائي أو بيئتها الكيميائية. كما أظهر الباحثون أن النظام عمل حتى في وجود الأكسجين في المحلول، مما يثبت إمكانية تشغيله في الهواء العادي واليومي دون الحاجة إلى غلاف جوي خاص.

أخيراً، انتقل الفريق لما وراء معدات المختبر الكبيرة والمعقدة لإظهار أن هذه التكنولوجيا يمكن جعلها محمولة. فقد وضعوا طبقة رقيقة من الأنابيب النانوية المعدلة مباشرة فوق هوائي صغير وبسيط قادر على توليد موجات الميكروويف. ومن خلال تسليط ليزر عبر الهوائي وقياس الضوء الخارج، تمكنوا من اكتشاف نفس إشارات اللف المغزلي، وإن كانت بإشارة أضعف قليلاً من الإعداد الأكبر. يشير هذا العرض إلى أن هذه المستشعرات يمكن أن تُبنى في النهاية لتصبح أجهزة صغيرة بحجم الشريحة. يمكن استخدام مثل هذه الأجهزة للكشف الفوري عن المجالات المغناطيسية أو لاستشعار الجزيئات البيولوجية في البيئات المعقدة، وكل ذلك مع العمل تحت الظروف الدافئة والمحيطة في العالم الحقيقي. يمهد هذا العمل طريقاً جديداً لإنشاء مستشعرات كمية قوية وقابلة للتوسع لا تتطلب الظروف القاسية التي كان يُعتقد سابقاً أنها ضرورية.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →

أبحاث مشابهة

عرض الكل في هذا التصنيف 🔬 cond-mat.mes-hall →