يكتشف الباحثون ظاهرة تجعل الذرات شفافة
انطباع فني عن ليزر يضرب ذرات في تجويف بصري. | ستوديو ايلا مارو
اكتشف فريق من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مؤخرًا ظاهرة تسمى "الشفافية المستحثة بشكل جماعي" (أو CIT ) ، والتي تحدث عندما تتوقف مجموعة من الذرات فجأة عن عكس الضوء عند ترددات معينة. قد يؤدي هذا الاكتشاف إلى تطبيقات جديدة في الحوسبة الكمومية ، بما في ذلك تطوير ذاكرة كمومية أكثر كفاءة.
الديناميكا الكهربية للكم التجويفي (EQC) هي دراسة التفاعل بين الضوء المحصور في تجويف عاكس والذرات (أو الجسيمات الأخرى) ، على المستوى الأساسي ، في ظل الظروف التي تكون فيها الطبيعة الكمومية للفوتونات مهمة. لاحظ الباحثون أن هذا المجال من البحث قد استفاد من التقدم التجريبي الكبير على مدى العقود الماضية ، وذلك بفضل تطوير الأجهزة الدقيقة والنانوية وتقنيات الاصطياد بالليزر. أدى التقدم المحرز إلى تطبيق EQC على معالجة المعلومات الكمية.
في الواقع ، أثبتت القدرة على تغيير خصائص بواعث الضوء (والعكس صحيح ) أنها أداة لا غنى عنها للعمليات الكمية عالية التحكم ، كما يوضح الفريق. ركز العمل السابق على EQC في الأنظمة متعددة الباعث ، والتي كانت في شكل غاز ذري. هنا ، شرع الباحثون في دراسة تفاعلات المادة الخفيفة مع أيونات الأرض النادرة المضمنة في المواد الصلبة (مع تطبيق الحالة الصلبة الذي يوفر إمكانية التكامل على الرقاقة في التطبيقات الكمومية). ثم اكتشفوا نافذة شفافة للشفافية في طيف الانعكاس للتجويف البصري.
شكل من أشكال التدخل المدمر
لم نكن نعرف أن نافذة الشفافية هذه موجودة. قال أندريه فارون ، أستاذ الفيزياء التطبيقية والهندسة الكهربائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤلف المشارك للورقة التي تتحدث عن الاكتشاف ، " لقد أصبح بحثنا أولاً وقبل كل شيء رحلة لمعرفة السبب" . من أجل تجاربهم ، حصر فارون وزملاؤه ما يقرب من مليون ذرة من الإيتربيوم مدمجة في فانات الإيتريوم (YVO 4 ) داخل تجويف ضوئي صغير (أو مرنان ضوئي) - وهو جهاز مرآة تظل فيه أشعة ضوئية معينة محصورة بسبب الانعكاسات المتتالية. قاموا بقصف هذه الذرات بأشعة الليزر.
وصف تخطيطي لتفاعل التجويف الأيوني.
M. Lei et al.تم تصنيع الرنان البصري في معهد كافلي للعلوم النانوية التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. يبلغ طولها 20 ميكرومترًا فقط ولها ميزات أصغر من 1 ميكرومتر. سمح لهم هذا الجهاز الاستثنائي باكتشاف غير مسبوق. قال ريكوتو فوكوموري ، الباحث في علوم المعلومات الكمومية والمؤلف المشارك للدراسة: " باستخدام تقنيات قياس البصريات الكمومية التقليدية ، وجدنا أن نظامنا قد وصل إلى نظام غير مستكشف ، وكشف عن فيزياء جديدة ".
تمتص مجموعات الذرات الضوء باستمرار وتعيد إرساله. لذلك ، كما هو متوقع ، بدا أن ضوء الليزر "يرتد" عنهم. ومع ذلك ، وجد الفريق أن هذا حدث فقط إلى نقطة معينة: اكتشفوا أنه بتردد معين ، تظهر "نافذة الشفافية". ثم يمر الضوء ببساطة عبر التجويف دون عوائق.
(أعلى) طيف انعكاس لتجويف بدون أيونات يظهر صدى التجويف الفارغ (يسار) ، مع أيونات ضعيفة الجريان (وسط) ، ومع أيونات شديدة الجريان (يمين). (أسفل) تكبير على جزء من الطيف يظهر CIT.
M. Lei et al.من خلال تحليل نافذة الشفافية هذه ، تمكنوا من توضيح الظاهرة التي كانت في أصلها: اتضح أن الأخيرة تشبه التداخل المدمر - الذي يحدث عندما تتداخل موجتان ، قادمتان من مصادر مختلفة ومن نفس السعة ، أثناء التداخل. هم خارج المرحلة (نهاياتهم تلغي بعضها البعض). في هذه التجربة ، تعكس مجموعات الذرات ضوء الليزر بشكل مستمر ، ولكن عند تردد CIT ، فإن الضوء المعاد إرساله من كل ذرة من المجموعة يخلق توازنًا ، مما يؤدي إلى انخفاض في الانعكاس.
أشعة ليزر فائقة الإشعاع وذكريات كمية أكثر كفاءة
يلخص المؤلف المشارك Joonhee Choi ، وهو باحث سابق لما بعد الدكتوراه في Caltech ويعمل الآن أستاذًا مساعدًا في جامعة ستانفورد: "لقد تمكنا من مراقبة تفاعلات المادة الضوئية الميكانيكية الكمومية والتحكم فيها على المستوى النانوي".
بصرف النظر عن ظاهرة الشفافية ، لاحظ الباحثون أيضًا أن مجموعة الذرات يمكنها امتصاص وانبعاث ضوء الليزر بشكل أسرع (أو أبطأ بكثير) من ذرة واحدة ، اعتمادًا على شدة الليزر. هذه العمليات ، المسماة "الإشعاع الفائق" و "الإشعاع الثانوي" على التوالي ، والفيزياء الأساسية الخاصة بها لا تزال غير مفهومة بشكل جيد بسبب العدد الكبير من الجسيمات الكمومية المتفاعلة. ويشير الباحثون في ورقتهم البحثية إلى أن " ملاحظاتهم تمثل خطوة رئيسية نحو إنشاء أشعة ليزر فائقة الدقة ذات عرض خطي فائق الإشعاع وذكريات ذات حالة صلبة طويلة الأمد تحت الإشعاع ".
يوسع هذا العمل فهمنا للعالم الغامض للتأثيرات الكمومية ويمكن أن يمهد يومًا ما الطريق لذكريات كمية أكثر كفاءة ، حيث يتم تخزين المعلومات في مجموعة من الذرات المترابطة بإحكام. لقد عمل Andrei Faraon بالفعل على إنشاء ذكريات كمية عن طريق التلاعب بتفاعلات العديد من ذرات الفاناديوم.
يمكن أن يساعد اكتشاف CIT أيضًا في تنفيذ الشبكات الكمومية: " بصرف النظر عن الذكريات ، توفر هذه الأنظمة التجريبية رؤى مهمة في تطوير الاتصالات المستقبلية بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية " ، كما قال البروفيسور مانويل إندريس ، وهو مؤلف مشارك آخر في الدراسة.
المصدر:مواقع ألكترونية