يؤدي تمديد الماس إلى فتح قدرات جديدة قوية في استشعار الكم

يكشف التعديل الميكانيكي الدقيق عن طريقة قوية للتحكم في السلوك الكمي للعيوب المضمنة.

حدد الباحثون طريقة جديدة للتحكم في السلوك الكمي للعيوب الصغيرة في الماس عن طريق تمديد البلورة أو ضغطها بلطف. يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى جيل جديد من أجهزة الاستشعار القادرة على اكتشاف الضغط ودرجة الحرارة والتغيرات الفيزيائية الأخرى بدقة استثنائية.

هذه العيوب، المعروفة باسم “مراكز الألوان”، تُستخدم بالفعل على نطاق واسع في التقنيات الكمومية، بما في ذلك أجهزة الاستشعار عالية الحساسية وتطوير أنظمة الاتصالات الكمومية. أحد الأنواع، وهو مركز شواغر السيليكون (SiV)، يعد واعدًا بشكل خاص لأنه ينتج ضوءًا ساطعًا ومستقرًا، مما يجعله مناسبًا تمامًا للأجهزة الكمومية.

في هذه الدراسة، قام فريق دولي بقيادة علماء من جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم (SUTD) وجامعة يانغتشو في الصين بفحص كيفية تصرف مراكز SiV عندما تكون الشبكة الماسية المحيطة بها إما مضغوطة أو ممتدة. وباستخدام نماذج حسابية مفصلة، ​​قام الباحثون بتحليل كيفية تغير التركيب الذري للخلل وخصائصه البصرية في ظل ظروف ميكانيكية مختلفة.

لاحظ الفريق سلوكًا معقدًا. تحت الضغط، يظل العيب مستقرًا ويحافظ على تناسقه الأصلي. ومع ذلك، عندما يمتد إلى ما هو أبعد من الحد الحرج البالغ حوالي 4٪ من التوسع، فإنه يخضع لتحول هيكلي. يكسر هذا التغيير تناظرها وينتج عنه ترتيب ذري جديد.

التوقيعات البصرية وإمكانات الاستشعار

يغير هذا التحول الهيكلي أيضًا كيفية تفاعل الخلل مع الضوء. ووجد الباحثون أن السمات البصرية المهمة، مثل لون وسطوع الضوء المنبعث، تتغير تدريجيًا وبشكل متوقع مع تطبيق الضغط.

وقال البروفيسور يونليانغ يو من جامعة يانغتشو: “تعمل هذه التغييرات البصرية مثل مسطرة مدمجة. وببساطة عن طريق قياس الضوء المنبعث من العيب، يمكننا استنتاج مقدار ضغط المادة أو تمددها”.

وبسبب هذه الاستجابة المتسقة، تظهر مراكز SiV إمكانات قوية مقياس النانو أجهزة الاستشعار. تختلف إشاراتها الضوئية بشكل مستمر مع التشوه، مما قد يسمح بقياسات دقيقة للغاية للضغط أو الانفعال، حتى على مستوى الهياكل النانوية الفردية.

واستكشفت الدراسة أيضًا الخصائص المغناطيسية للخلل، والتي لها صلة بتقنيات مثل رنين الإلكترون المغزلي. تتغير هذه الخصائص بطريقة يمكن التنبؤ بها تحت الضغط، مما يوفر طريقة أخرى لاكتشاف التغييرات وتوسيع قدرات الاستشعار للنظام.

ويشرح الباحثون أيضًا الفيزياء الأساسية وراء هذه التأثيرات. مع توسع الشبكة الماسية أو تقلصها، يتغير الهيكل الإلكتروني للخلل. ويؤثر هذا بشكل مباشر على كيفية تفاعلها مع المجالات الضوئية والمغناطيسية، مما يساعد على ربط السلوك الكمي الأساسي بتطبيقات العالم الحقيقي.

نحو تقنيات الكم القابلة للضبط

تشير النتائج إلى أن مراكز SiV يمكن أن تصبح مكونات موثوقة وقابلة للتعديل للاستشعار الكمي، خاصة في المواقف التي تتعرض فيها المواد لضغط ميكانيكي، مثل أبحاث الضغط العالي، وأجهزة مقياس النانو، والمواد المتقدمة.

“من خلال إظهار كيف يمكن للتشوه الميكانيكي التحكم بدقة في الخصائص الكمومية لمراكز السيليكون الشاغرة، فإننا نفتح فرصًا جديدة لتصميم أجهزة استشعار كم متعددة الوظائف”، قال الأستاذ المساعد ورئيس كرسي التوظيف المبكر في معبد كوان إيم ثونغ هود تشو، البروفيسور يي سين أنج من جامعة SUTD. “يوفر هذا العمل الفهم الأساسي والتوجيه العملي للعيوب الكمومية الهندسية في تطبيقات العالم الحقيقي.”

وأضاف الدكتور شيبو فانغ، زميل أبحاث SUTD، “الأمر المثير بشكل خاص هو القدرة على التنبؤ بالاستجابة. يتصرف الخلل بطريقة يمكن التحكم فيها بدرجة كبيرة تحت الضغط، وهو بالضبط ما هو مطلوب لتقنيات الاستشعار الموثوقة. تضع دراستنا الأساس للتجارب المستقبلية وتكامل الأجهزة. ”

يقترح الفريق أن الجمع بين التحكم الميكانيكي والعيوب الكمومية يمكن أن يتيح ظهور أنواع جديدة من الأجهزة الكمومية، بما في ذلك أجهزة الاستشعار التكيفية والأنظمة الهجينة التي تستجيب في الوقت الفعلي للتغيرات في محيطها.

المرجع: “تأثيرات الضغط الهيدروستاتيكي والتوتر على مراكز شواغر السيليكون في الماس” بقلم يونليانغ يو، مين وانغ، ياكسوان ليو، رونكسي غو، هان تشانغ، هوامو شيه، يي سين أنج وشيبو فانغ، 4 فبراير 2026، رسائل الفيزياء التطبيقية.

دوى: 10.1063/5.0300210

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.