اختراق كمومي يدمج الضوء والمغناطيسية في مواد رقيقة ذرياً

لعقود طويلة، واجه العلماء تحديات معقدة في دمج الخصائص البصرية لأشباه الموصلات مع المغناطيسية. الآن، يرسم باحثون في كلية مدينة نيويورك (CCNY) حدوداً جديدة في مجال المواد الكمومية الرقيقة ذرياً، حيث تترابط أطياف الضوء والشحنات الكهربائية والمغناطيسية بشكل وثيق. يوضح هذا البحث، الذي خرج من مختبر الضوئيات النانوية والميكروية (LaNMP) بقيادة الفيزيائي فينود إم. مينون، أن هذه التفاعلات غير المعتادة يمكن أن تشكل الأساس لأجهزة إلكترونية ضوئية متقدمة قادرة على معالجة الضوء والشحنة والدوران الإلكتروني في آنٍ واحد.

يركز البحث، الذي نُشرت تفاصيله في مراجعة شاملة عبر مجلة Nature Materials، على أشباه الموصلات المغناطيسية من نوع فان دير فالس (van der Waals magnetic semiconductors). تاريخياً، حاول العلماء دمج هذه الخصائص عبر إضافة ذرات مغناطيسية إلى أشباه الموصلات أو تكديس أشباه موصلات رقيقة فوق طبقات مغناطيسية. لكن بلورات فان دير فالس تقدم حلاً مباشراً؛ ففي داخل هذه المواد، تنبثق الإثارات المولدة بالضوء المعروفة باسم الإكسيتونات (Excitons) والعزوم المغناطيسية من المدارات الإلكترونية ذاتها.

عندما ينشط الضوء الساقط إلكتروناً، فإنه يتحرك تاركاً وراءه "فجوة" موجبة الشحنة. يشكل هذا الزوج المرتبط من الإلكترون والفجوة ما يُعرف بالإكسيتون، وهو جسيم متعادل كهربائياً يتفاعل بقوة مع الضوء. في المقابل، تُعد الماغنونات (Magnons) موجات جماعية تنتقل عبر البنية المغناطيسية المنظمة للمادة. وفي هذه المغناطيسات ثنائية الأبعاد التي خضعت للتحليل مؤخراً، وتحديداً ثلاثي يوديد الكروم، وثلاثي كبريتيد الفوسفور والنيكل، وبروميد كبريت الكروم، تؤثر الإكسيتونات والماغنونات على بعضها البعض بشكل مباشر.

في هذه المواد، لم يعد الضوء والمغناطيسية يعملان كقنوات منفصلة. الإكسيتون ليس مجرد إثارة سلبية مدفوعة بالضوء تستقر فوق المغناطيسية، بل يمكنه استشعار الترتيب المغزلي والماغنونات، وفي ظل الظروف المناسبة، يمكنه حتى المساعدة في التحكم في الحالة المغناطيسية نفسها.

- براتاب تشاندرا أداك، كلية مدينة نيويورك

يسمح هذا الأصل المشترك للإكسيتونات بتعزيز التأثيرات المغناطيسية الضوئية بشكل كبير، مما يُمكّن العلماء من قراءة الحالات المغناطيسية بمجرد مراقبة التغيرات في استقطاب الضوء. وعلى العكس من ذلك، يمكن للترتيب المغناطيسي أن يغير طاقة الإكسيتونات ويحدد مكان حصرها داخل البلورة. كما سلط الباحثون الضوء على البولاريتونات الإكسيتونية (Exciton polaritons)، وهي جسيمات هجينة تجمع بين الضوء والمادة، ويمكنها نقل المعلومات البصرية بسلاسة عبر المادة.

وأوضح مينون أن "هذا المجال انتقل خلال السنوات القليلة الماضية من مجرد اكتشاف المغناطيسية في البلورات الرقيقة ذرياً إلى الاستكشاف النشط لكيفية تحكم الترتيب المغناطيسي في تفاعلات الضوء والمادة". وأشار إلى أن الهدف الأساسي من مراجعتهم هو وضع هذه التطورات السريعة في إطار متماسك وتحديد المسار المستقبلي لهذا المجال.

تفتح القدرة على التحكم الدقيق في الضوء والمغناطيسية على مستويات مجهرية الباب أمام العديد من التطبيقات النظرية. حدد فريق جامعة CCNY اختراقات محتملة في الذاكرة المغناطيسية الضوئية، وأنظمة قراءة البيانات، والبوابات المنطقية الضوئية بالكامل، والأجهزة الباعثة للضوء القابلة للتعديل، والليزر المغناطيسي الضوئي. ويكمن أحد التطبيقات الواعدة في محولات الطاقة الكمومية، وهي أجهزة قادرة على تحويل الإشارات بين ترددات الميكروويف والترددات البصرية.

على الرغم من هذه التطورات، يحذر الباحثون من أن هذا المجال لا يزال غير مستكشف إلى حد كبير. لا يزال العلماء يفتقرون إلى نماذج نظرية شاملة قادرة على التنبؤ بكيفية تصرف الإكسيتونات، ودوران الإلكترونات، واهتزازات الشبكة، والفوتونات أثناء التفاعل المتزامن. ستحتاج الأبحاث المستقبلية إلى التحقيق في ظواهر معقدة مثل الإكسيتونات المغناطيسية من نوع مواريه، والتحكم البصري في القوام المغزلي، وتكثيف البولاريتون الإكسيتوني المغناطيسي.

تمثل هذه المراجعة جهداً تعاونياً ضخماً، حيث شارك في التأليف فلوريان ديرنبرجر من جامعة Technical University of Munich، وسواغاتا أشاريا من مختبر National Laboratory of the Rockies، وأكاشديب كامرا من جامعة Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau، وشياودونغ شو من جامعة University of Washington. وقد حظي العمل التأسيسي في كلية CCNY بدعم كبير من وكالة DARPA ومؤسسة Gordon and Betty Moore.

إن الاكتشاف الأكثر أهمية في هذا البحث ليس مجرد التلاعب بالضوء والمغناطيسية، بل الإشارة المحددة إلى محولات الطاقة الكمومية. في الوقت الحالي، تعمل أقوى أجهزة الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل في العالم بترددات الميكروويف، ويجب عزلها داخل ثلاجات تبريد عميق ضخمة. لبناء إنترنت كمومي عالمي حقيقي، يجب تحويل إشارات الميكروويف الهشة هذه إلى ترددات بصرية حتى تتمكن من الانتقال عبر كابلات الألياف الضوئية القياسية دون فقدان حالتها الكمومية.

من خلال إثبات أن أشباه الموصلات المغناطيسية من نوع فان دير فالس يمكنها ربط الإشارات البصرية بالنشاط المغناطيسي بترددات الجيجاهرتز، حدد فريق CCNY فعلياً حلاً عتادياً محتملاً لهذه العقبة الدقيقة. إذا تمكن المهندسون من تسخير هذه المواد الكمومية الرقيقة ذرياً لبناء محولات طاقة كمومية فعالة وقابلة للتطوير، فسيمثل ذلك انتقال الحوسبة الكمومية من الحواسيب المركزية المعزولة في المختبرات إلى شبكة عالمية متصلة وعالية السرعة.