علماء يحققون التماسك الكمي المطلق على سطح صلب ويفتحون باباً لتقنيات النانو

نجح باحثون في معهد Max Planck لعلوم الضوء (MPL) في الحفاظ على التماسك الكمي (Quantum coherence) على سطح صلب عند حد فورييه (Fourier limit) الأساسي، متجاوزين إحدى أكبر العقبات في فيزياء الكم. ومن خلال استخدام بلورة عضوية فائقة النقاء وذاتية التنظيف، تمكن الفريق من الحفاظ على الخصائص الكمية الدقيقة للجزيئات الفردية. ويحقق هذا الإنجاز، الذي نُشر في مجلة Science العلمية، مستوى من الاستقرار كان يُعتقد سابقاً أنه مستحيل خارج بيئة الفراغ أو المواد السائبة.

تعتمد العديد من التقنيات الكمية البصرية على أجسام نانوية تتفاعل بقوة مع الضوء. وتُعد هذه البواعث الكمية (Quantum emitters) ضرورية لتوليد فوتونات مفردة، وتخزين المعلومات الكمية، وتوزيع التشابك الكمي لشبكات الاتصال. وتاريخياً، كانت دراسة باعث مفرد تتطلب احتجازه في الفراغ أو دمجه عميقاً داخل مادة صلبة لحمايته من الضوضاء البيئية.

ورغم أن وضع جزيء مباشرة على سطح يتيح ميزة التحكم المباشر، إلا أن التلوث السطحي يخلق عادةً بيئة متقلبة تدمر الخصائص الكمية للجزيء. ولحل هذه المشكلة، ابتكر قسم البصريات النانوية في معهد MPL، بقيادة البروفيسور Vahid Sandoghdar، بيئة خاضعة لرقابة صارمة باستخدام بلورة عضوية فريدة.

واعتمد الفريق على طريقة تحضير دقيقة لتحقيق هذا الاستقرار غير المسبوق:

• وضعوا بلورة عضوية صغيرة داخل منظم الحرارة المنخفضة (Cryostat) تحت ظروف الفراغ.
• تُركت البلورة لتتبخر ببطء في درجة حرارة الغرفة، مما أدى إلى إزالة الملوثات السطحية طبيعياً مع طبقاتها العليا.
• تم تبريد البيئة بسرعة إلى بضع درجات كلفن فوق الصفر المطلق، مما أدى إلى إيقاف عملية التسامي.
• أخيراً، قام الباحثون بترسيب الجزيئات على السطح النظيف حديثاً باستخدام فرن دقيق الصنع.

يمكن تقييم جودة البواعث الكمية من خلال أوقات تماسكها، والتي تشير إلى المدة التي تحتفظ فيها بخصائصها الكمية.

- الدكتور Alexey Shkarin، قسم البصريات النانوية، معهد MPL

ومن خلال وضع الجزيئات على هذا السطح النقي، وجد الباحثون أن الجزيئات وصلت باستمرار إلى حد فورييه. ويمثل هذا الحد أقصى وقت ممكن للتماسك، ويتحدد حصرياً بالمدة التي يستغرقها الباعث لنقل طاقته إلى محيطه. ويثبت تحقيق هذا الإنجاز على سطح صلب أن الجزيئات اختبرت بيئة هادئة للغاية، وخالية من الضوضاء التي تؤدي عادةً إلى تدهور الحالات الكمية بسرعة تفوق ذلك بمئات أو آلاف المرات.

وإلى جانب تثبيت الجزيئات في مكانها، أثر السطح بشكل نشط على سلوكها. وأظهرت التجارب أن الجزيئات الممتصة اتخذت اتجاهات محددة وشهدت تحولات في مستويات طاقتها. وأوضح البروفيسور Sandoghdar أن عملهم المستقبلي سيركز على دمج هذه الطريقة مع مجهر القوة الذرية (AFM) ومجهر المسح النفقي (STM) من أجل "الحصول على تحكم نانوي محلي في البواعث الكمية الفردية".

يُغيّر القدرة على الحفاظ على حد فورييه على سطح صلب من طريقة نهجنا في تصميم الأجهزة الكمية بشكل جذري. وحتى الآن، كانت ضرورة عزل البواعث الكمية في مصائد فراغية معقدة تمثل عنق زجاجة كبير أمام توسيع نطاق الحواسيب الكمية وعقد الاتصالات. ومن خلال إثبات أن السطح البلوري فائق النقاء يمكنه توفير نفس المستوى من الحماية الكمية، فتح فريق معهد MPL مساراً جديداً نحو أجهزة كمية صلبة يسهل فحصها والتحكم بها.

علاوة على ذلك، فإن دمج هذه التقنية مع أدوات الفحص المجهري مثل STM وAFM قد يتيح للمهندسين ترتيب البواعث الكمية الفردية فيزيائياً لإنشاء دوائر دقيقة. وبدلاً من الاعتماد على التوزيع العشوائي داخل مادة سائبة، يمكن للباحثين الآن نظرياً بناء وضبط الحالات الكمية للمادة ذرة بذرة على سطح مستقر. وهذا المستوى من التحكم النانوي هو بالضبط ما تحتاجه الصناعة للانتقال من فيزياء الكم التجريبية إلى تقنيات كمية قابلة للتصنيع التجاري.