کنترل رفتار نقاط کوانتومي توسط ليزرهاي دوگانه

 محققان مرکز ملي استاندارد و فناوري (NIST) و موسسه مشترک کوانتوم (JQI) (يک مرکز مشترک از دانشگاه مريلند و NIST) روش جديدي براي تنظيم دقيق نور ساطع شده از يک نقطه کوانتومي با دستکاري آنها با يک جفت ليزر توسعه داده‌اند. 

اين روش که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، مي‌تواند به ميزان زيادي نقاط کوانتومي را به عنوان منبع جفت‌فوتون «گيرافتاده» توسعه دهد؛ اين ويژگي کاربردهاي مهمي در فناوري‌هاي اطلاعاتي دارد.

اين کار مي‌تواند توسعه کاربردهاي رمزنويسي قدرتمند و پيشرفته را که پيش‌بيني مي‌شود يکي از فناوري‌هاي کليدي قرن 21 باشد، شتاب بخشد.

فوتون‌هاي گيرافتاده نتيجه خاص مکانيک کوانتوم است. اين فوتون‌ها که توليد آنها بسيار مشکل است، حتي زماني که از هم فاصله زيادي پيدا مي‌کنند، به نحوي باهم متصل باقي مي‌مانند. فقط مشاهده لحظه‌اي يکي از آنها، بر ويژگي‌هاي ديگري تأثير مي‌گذارد. اين ارتباط مي‌تواند در ارتباطات کوانتومي براي انتقال يک کليد رمزي که به طور طبيعي کاملاً سري است، مورد استفاده قرار گيرد. هرگونه تلاشي براي استراق سمع موجب از بين رفتن فوري اين کليد رمزي مي‌شود.

يکي از هدف‌هاي اين گروه تحقيقاتي توسعه نقاط کوانتومي به عنوان منبع آساني براي توليد فوتون‌هاي گيرافتاده است.

نقاط کوانتومي نواحي نانومقياسي از يک ماده نيمه‌هادي، شبيه ماده مورد استفاده در پردازنده‌هاي رايانه هستند، اما به دليل ابعادشان، ويژگي‌هاي خاصي دارند. با وجودي که اين نقاط مي‌توانند از ده‌ها هزار اتم تشکيل شوند، اما به نحوي رفتار مي‌کنند که گويي يک اتم منفرد هستند. متأسفانه اين نقاط کوانتومي در دنياي شکننده رمزنگاري و نسل بعدي فناوري‌هاي اطلاعاتي به اندازه کافي خوب نيستند. زماني که انرژي به اين نقاط کوانتومي داده شود، درست همانند يک اتم تنها، از خود فوتون يا ذرات نور منتشر مي‌کنند. اما نواقص موجود در شکل يک نقطه کوانتومي موجب جدا شدن سطوح انرژي مي‌شود که بايد همپوشاني نمايند. اين امر تعادل ظريف مورد نياز براي نشر فوتون‌هاي گيرافتاده را برهم مي‌زند. 

گروه تحقيقاتي NIST-JQI براي غلبه بر اين مشکل از ليزرهايي براي کنترل دقيق سطح انرژي نقاط کوانتومي استفاده مي‌کند، همانگونه که فيزيکدان‌ها از اواسط دهه 80 براي کنترل سطح انرژي اتم‌هاي منفرد از اين روش استفاده کرده‌اند. اين محققان با استفاده از دو تابش ليزري که يکي درست در بالاي نقطه کوانتومي قرار گرفته و دومي از کنار به آن مي‌تابد، توانستند حالت‌هاي انرژي را در يک نقطه کوانتومي به صورت دقيق کنترل کرده و نشر آن را اندازه بگيرند.

با تنظيم شدت تابش‌هاي ليزري آنها توانستند تغييرات ناشي از نواقص را تصحيح نموده و سيگنال‌هاي بسيار ايده‌آل‌تري توليد نمايند.

اين تيم تحقيقاتي اولين گروهي است که ثابت کرده است نقاط کوانتومي تنظيم شده با ليزر مي‌توانند به طور موثري فوتون‌ها را يکي يکي توليد نمايند، همانگونه که براي رمزنگاري و کاربردهاي ديگر لازم است.
 

 

حل مشكل«چشمك زدن» نقاط كوانتومي

به‌تازگي محققان مؤسسه JILA با شستشوي نقاط كوانتومي در يك محلول شيميايي توانستند مشکل چشمک زدن اين نقاط را حل کنند. اين کشف مي‌تواند سودمندي اين نقاط را در کاربردهايي، مانند آزمايش‌هاي زيست پزشکي و رمزنگاري(cryptography) کوانتومي افزايش دهد.

نقاط کوانتومي موجب ايجاد فرصت‌هاي جديدي در تحقيقات زيست پزشکي و رمزنگاري، و ساير زمينه‌ها شده‌اند؛ اما اين نانوبلورهاي نيمه‌رسانا يک مشکل مرموز دارند؛ اين نقاط داراي چشمک‌هايي با اندازه زماني چند ميليونيوم ثانيه تا ده‌ها ثانيه، و يا حتي بيشتر هستند كه اين مسئله از سودمندي اين نقاط مي‌کاهد.

ديويد نسبيت، يکي از اعضاي JILA، اظهار داشت که گروه JILA توانست از طريق شستشوي اين نقاط در يك محلول آبي متشكل از يک ماده شيميايي آنتي‌اکسيدان، ميزان نرخ تابش فوتون را چهار تا پنج برابر افزايش دهد كه يک نتيجه خيره‌کننده به شمار مي‌رود.

دانشمندان JILA توانستند به‌ طرز چشمگيري زمان تأخير ميانگين بين برانگيختگي يک نقطه کوانتومي و تابش فوتون به دست‌آمده را از 21 نانوثانيه به چهار نانوثانيه کاهش دهند و احتمال چشمک زدن را تا صد برابر کمتر کنند. نقاط کوانتومي مورد استفادة اين گروه، هسته‌هاي کادميوم-سلنيد پوشش داده شده با سولفيد روي با اندازه چهار نانومتر است. 

زماني که يک نقطه با يک پالس ليزر برانگيخته مي‌شود، الکتروني از حفره‌اي که در حالت معمول در آن قرار دارد، جدا مي‌شود. چند نانوثانيه بعد، اين الکترون به داخل حفره برگشته و يک فوتون(که در آزمايش مذکور زرد بود) تابش مي‌کند؛ اما هر چند وقت يک بار، الکترون برانگيخته به مکان قبلي خود برنمي‌گردد و به عيوب سطحي نقطه مي رود. ماده شيميايي اضافه‌شده به‌وسيلة JILA عيوب سطحي را حذف کرده، به اين ترتيب مانع از چشمک زدن نقطه کوانتومي مي‌شود.