شناسایی درخشندگی یک اتم منفرد برای پیشرفت مهندسی پخشکنندههای کوانتومی
توسط آمبر رز، آزمایشگاه ملی آرگن
پژوهشگران روش طراحی و جایگذاری منابع تکفوتونی را در مقیاس اتمی داخل مواد دو‑بعدی فوقباریک کشف کردند که مسیر نوآوریهای کوانتومی آینده را روشن میسازد.
مانند سوئیچهای نوری که بهدقت کنترل میشوند، پخشکنندههای کوانتومی میتوانند جریان تکذرههای نور، که فوتون نامیده میشوند، را یکبهیک روشن کنند. این سوئیچهای ریز — «بیتهای» بسیاری از فناوریهای کوانتومی — توسط نقصهای اتمی در مواد ایجاد میشوند.
توانایی آنها در تولید نور با چنین دقتی، آنها را برای آینده فناوریهای کوانتومی، شامل محاسبات کوانتومی، ارتباطات امن و حسگرهای فوقدقیق، ضروری میسازد. اما یافتن و کنترل این سوئیچهای نوری اتمی تا کنون یک چالش علمی بزرگ بود — تا اکنون.
دانشمندانی از آزمایشگاه ملی آرگن، وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) و دانشگاه ایلینویس اربانا‑چامپیئن، بهدست آوردند پیشرفت چشمگیری در درک و کنترل پخشکنندههای کوانتومی. این کار در نشریه Advanced Materials منتشر شده است.
میکروسکوپی پیشرفته ساختار اتمی را نشان میدهد
در مرکز مواد نانو مقیاس (CNM)، یک مرکز خدماتی کاربران تحت نظارت دفتر علوم DOE در آرگن، تیم از میکروسکوپ پیشرفته و تخصصی به نام QuEEN-M (میکروسکوپ الکترونی نانوماده پخشکننده کوانتومی) برای شناسایی مکان و حتی ایجاد پخشکنندههای کوانتومی در مادهٔ فوقباریک به نام نیترید بور ششضلعی استفاده کرد.
با شناسایی ساختار اتمی مسئول انتشار نور، پژوهشگران راه را برای طراحی موادی با خواص کوانتومی سفارشی برای دستگاههای آینده باز کردند.
«چالش در مطالعه پخشکنندههای کوانتومی این است که رفتار نوری آنها توسط ساختار اتمیشان تعیین میشود، که مشاهدهٔ مستقیم آن بسیار دشوار است»، گفت جیانگو ون، دانشمند مواد آرگن.
مطالعهٔ انتشار نور از پخشکنندههای کوانتومی معمولاً به نمونههای ضخیمتری نیاز دارد، در حالی که تجزیه و تحلیل ساختار اتمی آنها به نمونههای نازکتری احتیاج دارد. این تعادل باعث شده تا درک کامل این منابع نور ریز دشوار باشد.
تکنیکهای نوآورانه امکان کنترل دقیق را فراهم میآورند
برای حل این مشکل، ون و تیم او از تکنیکی به نام طیفسنجی کاتالومنسانس همراه با میکروسکوپ QuEEN-M با وضوح بالا استفاده کردند.
در کاتالومنسانس، پرتو متمرکسی از الکترونها ماده را تحریک میکند و موجب انتشار نور میشود. رنگ و شدت نور منتشرشده اطلاعاتی در مورد ترکیب پخشکنندهٔ کوانتومی و نقاط نقص آن فراهم میسازد.
«QuEEN-M یک میکروسکوپ الکترونی طراحیشدهٔ خاص است که از بهکارگیری اپتیک الکترونی مدرن و آشکارسازها بهره میبرد»، افزود جیانمین زو، استاد مهندسی مواد و مهندسی در دانشگاه گراجر ایلینویس. «زیرساختهای پژوهشی چنین برای پیشرفت فناوریهای آینده اساسی هستند.»
تیم کشف کرد که پیچاندن لایههای نیترید بور ششضلعی در زاویههای خاص — فرایندی که «رابطهای پیچخورده» را ایجاد میکند — سیگنال نوری پخشکنندههای کوانتومی را تا ۱۲۰ برابر تقویت میکند. این سیگنال قویتر به پژوهشگران امکان داد تا مکان پخشکنندهها را با دقتی شگفتانگیز، کمتر از ۱۰ نانومتر (یعنی ۱۰ میلیاردمتر)، تعیین کنند.
دستاوردهای مهندسی پخشکنندههای کوانتومی
با استفاده از این رویکرد قدرتمند، تیم ساختار اتمی یک پخشکنندهٔ کوانتومی آبی در نیترید بور ششضلعی را بهصورت یک جفت اتم کربن عمودی پشتهشده که بهنام دیمِر کربن شناخته میشود، شناسایی کرد. بهطور حتی شگفتانگیزتر، پژوهشگران نشان دادند که میتوانند این پخشکنندههای کوانتومی را بر حسب نیاز با افزودن کربن به ماده و استفاده از پرتو الکترونی برای فعالسازی در نقاط منتخب تولید کنند.
«بهمحض اینکه توانستیم ساختار اتمی را با نوری که منتشر میکند مرتبط سازیم، دروازهای برای مهندسی دقیق این پخشکنندههای کوانتومی گشوده شد»، توماس گِیج، دانشمند آرگن، توضیح داد. «اکنون میتوانیم این پخشکنندهها را بر حسب نیاز با استفاده از پرتو الکترونی ایجاد و تنظیم کنیم.»
این توانایی برای مهندسی پخشکنندههای کوانتومی با چنین دقتی، گامی مهم و پیشرفتآمیز برای فناوری کوانتومی محسوب میشود.
«قابلیت قرار دادن این فوتونها با دقت بالا برای دستگاههای کوانتومی آینده حیاتی است»، بنجامین دیرول، دانشمند آرگن، اشاره کرد.
این پژوهش امکان ساخت موادی با خواص کوانتومی سفارشی را فراهم میآورد که میتوانند دقیقاً در موقعیت مورد نیاز بر روی تراشه قرار گیرند. با این کار، دانشمندان میتوانند این مواد را با فناوریهای دیگر ترکیب کنند تا سیگنالها را تقویت کرده و انتقال اطلاعات را بهصورت کارآمدتری انجام دهند.
این دستاورد به تسریع توسعه فناوریهای کوانتومی آینده کمک خواهد کرد.
اطلاعات بیشتر: هانیو هو و همکاران، همبستگی ساختار‑انتشار با وضوح نانومتری پخشکنندههای کوانتومی فردی از طریق کاتالومنسانس پیشرفته در رابطهای پیچخورده نیترید بور ششضلعی، Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202501611
اطلاعات نشریه:Advanced Materials
ارائهشده توسط آزمایشگاه ملی آرگن
استناد: شناسایی درخشندگی یک اتم منفرد برای پیشرفت مهندسی پخشکنندههای کوانتومی (2025، دسامبر 12) دریافت شده در ۲۵ دسامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-12-atom-advance-quantum-emitter.html