مواد في حالة الكم تأتي بخصائص غريبة تثني قوانين الفيزياء وتوفر إمكانات هائلة للعلماء – ولكنها عادةً ما تكون أيضًا حساسة بشكل لا يصدق، وتتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية للوجود والوظيفة.
وهذا يمثل مشكلة عندما يتعلق الأمر بتحقيق أقصى استفادة من هذه المواد وخصائصها: فهي بحاجة إلى الخروج منها ثلاجات المختبرات الكبيرة.
نحن الآن خطوة أخرى نحو أن يصبح ذلك ممكنًا.
طور باحثون من جامعة ولاية لويزيانا مادة يمكنها إثبات الغرابة الكمومية في درجة حرارة الغرفة. إنها مصنوعة من طبقة رقيقة من الذهب على شريحة زجاجية، منحوتة بأنماط مجهرية.
وقد تم نشر ورقة عن العمل في طبيعة.
من الأمور الحاسمة لعمل المادة الجديدة في درجة حرارة الغرفة هي الطريقة التي تحول بها التركيز من الإلكترونات والذرات إلى الفوتونات (جسيمات الضوء). وهذا يتغلب على الاضطراب المعتاد على المستوى الذري الذي تجلبه الحرارة.
المادة هي ما يُعرف بالبلورة البلازمونية الميتة: “البلازمونية” لأن الضوء الذي ينتقل فوقها يُحدث تموجات من الإلكترونات المعروفة بالبلازموناتو”البلورة الميتة” لأنها بلورة مصطنعة.
تعمل أنماط الشق الصغيرة المحفورة في المادة كذرات اصطناعية (ذرات وصفية)، والتي تملي كيفية مرور مجموعات الفوتون المختلفة (السلوك الكمي).
“من خلال هندسة توزيع الذرات الفوقية في البلورة البلازمونية، يمكننا أن نملي بشكل منهجي أي الإحصائيات الكمومية مسموح لها بالمرور عبر البنية.” يقول الفيزيائي رايلي دوكينز.
“لذا، تعمل بلورتنا بشكل أساسي كمرشح إحصائي للحالات الكمومية.”
وهذا يعني أنه عندما يدخل الضوء إلى الشريحة وينتقل عبر سطح الذهب، فإنه يتم التلاعب به بواسطة الذرات الفوقية – ومن خلال تعديل حجم الشقوق وشكلها والمسافات بينها، يمكن إنتاج نتائج نهائية مختلفة على المستوى الكمي.
من الناحية العملية، هذا يعني أنه يمكن نقل حالات كمية معينة من الضوء بأقل قدر من التشويش.
“نحن نسمي هذا النقل القوي. هذه الحالات الكمومية تحمل المعلومات،” يقول الفيزيائي عمر ماجانيا لويزا.
“تستطيع بلورتنا تمييزها ونقلها من نقطة إلى أخرى بطريقة قوية دون الحاجة إلى التبريد المبرد. وهذا ما يفتح الباب أمام تقنيات الكم العملية.”
ويمكن استخدام ذلك، على سبيل المثال، في نقل المعلومات الكمومية بشكل موثوق وبدون درجات حرارة شديدة البرودة. يعد هذا اكتشافًا مبكرًا جدًا لإثبات صحة المفهوم، لكنه يوضح أن العلم الأساسي سليم.
“أحد الأجزاء الأكثر إثارة في هذا المشروع هو إدراك أنه بإمكاننا بناء مادة يمكنها القيام بشيء لا توفره الطبيعة بمفردها.” يقول الفيزيائي تشنغ لونغ يو.
“إن رؤيته يعمل تمامًا كما توقعنا كان أمرًا مجزيًا بشكل لا يصدق.”
ويقول الباحثون إن الأساليب المستخدمة هنا يمكن توسيعها إلى ما هو أبعد من هذه المادة. تعمل دراستهم كمخطط يمكن للفرق الأخرى اتباعه، وتعديل حجم الشقوق والتباعد بينها حسب الحاجة لتعديل خصائص البلورة، وكيفية معالجة الضوء.
الضوء هو في حد ذاته كم: أنواع مختلفة من الضوء (من ضوء الليزر إلى الأشعة فوق البنفسجية) لها خصائص مختلفة. في حين أن سلوك المادة الكمومية في درجة حرارة الغرفة قد حدث شوهد من قبل، وهذا هو أول عرض توضيحي لها في شريحة متقدمة لفرز الضوء مثل هذه.
وبشكل أكثر عمومية، يعد السلوك غير التقليدي للمواد الكمومية بأن يكون مفيدًا في الحوسبة والاتصالات (بما في ذلك الإنترنت الكمومي)، والطاقة – في حصد المزيد من الطاقة من ضوء الشمس من خلال الألواح الشمسية، على سبيل المثال.
زاوية الخلية الشمسية هي الزاوية التي يخطط الباحثون لفحصها بعد ذلك، باستخدام البلورات البلازمونية الجديدة لتوجيه الضوء الوارد بشكل أفضل وفقدان كمية أقل منه على شكل حرارة.
متعلق ب: الضوء عادة ما يسرع الأمور. اكتشف العلماء للتو أن الأمر يفعل العكس في عالم النانو
“بالنسبة لي، لم يكن هذا مجرد مشروع، بل كان جهدًا جماعيًا مبنيًا على فكرة إنشاء شيء جديد تمامًا في تكنولوجيا الكم.” يقول الفيزيائية جنات الفردوس.
“ما جعل الأمر مثيرًا حقًا هو أننا لم نقم بإنشاء فئة جديدة من المواد الكمومية في درجة حرارة الغرفة فحسب، بل قمنا أيضًا بتطوير النظرية لفهم سلوكها والتحكم فيه.”
وقد تم نشر البحث في طبيعة.
تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريره بواسطة مايكل ايرفينغ. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأً، يرجى اعلامنا.
المصدر الأصلي: www.sciencealert.com
