یک قدم به سمت کریستال‌های فوتونی فرّار

منتشر‌شده در: مجله nature به تاریخ ۲۳ سپتامبر ۲۰۲۰
لینک منبع: Elusive photonic crystals come a step closer

در سال ۱۹۸۷، یک فیزیکدان به نام الی یابلونوویچ پیش‌بینی کرد که موادی به نام کریستال‌های شکاف نوری (PBC) می‌توانند نور را به گونه‌ای کنترل کنند که میکرومدارهای موجود، سیگنال‌های الکتریکی را مدیریت کنند. از آن زمان، اعضای دیگر یک و دو بعدی خانواده PBC ها به صورت ریز ساخته شده‌اند، که چندین کاربرد برای آن‌ها یافت شده‌است. اگرچه برخی PBC های کوچک توسط ساخت میکرو ساخت مستقیم شکل گرفته‌اند، یک ماده PBC سه‌بعدی حجیم همراه با کاربردهای بالقوه آن-از جمله فن‌آوری محاسبات نسل بعدی-دور از دسترس است. او و همکارانش در Nature رشد کریستال‌های اپال مانندی را گزارش می‌دهند که ساختار غیر معمول مورد نیاز برای PBC ها را دارند: میکرو ذرات شفاف که به شیوه‌ای مشابه اتم‌های کربن در یک کریستال الماس مرتب شده‌اند. برای PBC در حال کار، این مواد باید به عنوان قالب استفاده شوند تا «اپال‌های معکوس» پنیر سوییسی مانند را شکل دهند که سوراخ‌هایی دارند که کریستال‌های فعلی در آن‌ها قرار دارند.

برای درک فیزیک موادی مانند PBC ها و نیمه‌رساناها، تلاش برای دویدن در یک زمین شخم‌زده‌شده را تصور کنید. اگر گام شما با فاصله بین شیارها برابر باشد، می‌توانید با دو سرعت بدوید: سریع، با پریدن از بالای شیارها؛ یا آهسته‌تر، با انداختن پاهایتان در شیار گل‌آلود. به طور مشابه، هنگامی که یک موج از یک محیط دوره‌ای عبور می‌کند که به طور متناوب دارای «شیار» کم و بیش چگال است، می‌تواند به دو روش انتشار یابد: با قرارگرفتن قله‌هایش بر روی قله‌های شیار و یا با قرار گرفتن قله‌هایش بین این قله‌ها. به طور کلی، چنین موجی دارای دو انرژی ممکن است، که مربوط به دو حالت انتشار است؛ این امکان وجود ندارد که چنین موجی در شکاف بین این مقادیر انرژی داشته باشد.

در یک کریستال سه‌بعدی، فاصله شیارها و شکاف انرژی به جهت حرکت موج نسبت به محور شبکه بستگی دارد. با این حال، برای انواع خاصی از کریستال، طیف وسیعی از انرژی‌های موج می‌تواند وجود داشته باشد، که به شکاف نواری مشهور است، که برای آن امواج نمی‌توانند در هیچ جهتی منتشر شوند. در نیمه‌هادی‌های کریستال سیلیکون، امواج الکترون هستند، و شکاف نواری به این معنی است که الکترون‌های انرژی‌های خاص نمی‌توانند وجود داشته باشند، و باعث استفاده از ابزارهایی مانند ترانزیستورها می‌شوند-سوئیچ‌های کوچکی که در الکترونیک مدرن حضور دارند.

یابلونوویچ از لحاظ نظری نشان داد که یک پدیده شکاف نواری مشابه می‌تواند برای امواج نور رخ دهد، اما تنها برای چند ساختار بلوری شبیه‌سازی کننده شبکه الماس، و تشکیل‌شده از ذرات میکروسکوپی ساخته‌شده از مواد شفاف خاص. به طور اجباری، میکرو ذرات در اندازه مورد نیاز اغلب به صورت خود به خود، خود را در ساختارهای منظم مشابه، که کریستال‌های کلوئیدی نامیده می‌شوند، قرار می‌دهند. در واقع، اپال‌ها به طور طبیعی شکل می‌گیرند، کریستال‌های کلوئیدی فسیل دار ذرات سیلیکا، و درخشش اپال‌ها به علت شکاف‌های انرژی توضیح داده‌شده در بالا است. هنگامی که نور بر روی یک اپال می‌تابد، برخی از فوتون‌ها در شکاف انرژی (همراه با یک رنگ) خواهند داشت. چنین فوتون‌هایی نمی‌توانند وارد کریستال شوند، که منجر به انعکاس ۱۰۰٪ می‌شود. انرژی‌های شکاف (و در نتیجه رنگ‌های منعکس‌شده) به جهت نور ورودی بستگی دارند که مشخصه آن‌ها «آتش» است.

با وجود خوش بینی در دهه ۱۹۹۰ که یک روش ساده بلورهای کلوئیدی الماس مانند را به دست می‌دهد، بیش از دو دهه و چندین نوآوری به عنوان مقدمه‌ای برای دستاوردهای او و همکارانش مورد نیاز است. در یک شبکه الماسی، هر ذره به چهار نزدیک‌ترین همسایه با فاصله مساوی متصل می‌شود. اما ساخت ذراتی که تنها به چهار همسایه متصل می‌شوند برای تشکیل الماس کافی نیست. هنگامی که دو تا از چنین ذراتی به هم می‌رسند، باید به گونه‌ای چرخانده شوند که شش ذره دیگر که به آن‌ها متصل می‌شوند در جهت گیری نسبی صحیحی باشند.

برای رسیدن به این شاهکار، او و همکارانش بلوک‌های ساختمان پلاستیکی میکروسکوپی را سنتز کردند که شبیه حیوانات بادکنکی چاق هستند. هر بلوک ساختمان شامل چهار کره ادغام‌شده در شکل هرم مثلثی، با یک تکه چسب در مرکز هر وجه هرم است (شکل ۱a). هنگامی که در یک قطره آب معلق می‌شوند، ذراتی که در میان تکه‌های چسبنده خود به هم می‌چسبند، مجبور به پیکربندی زاویه‌ای مورد نیاز می‌شوند. سپس این ذرات به طور خود به خود بلورهای منظم و پایدار را تشکیل می‌دهند که ساختار الماس مطلوبی دارند که مدت طولانی به دنبال آن بودیم (شکل ۱b).

نویسندگان تا کنون بلورهایی تولید کرده‌اند که تنها حاوی حدود ۱۰۰۰۰۰ ذره و وزنی کم‌تر از یک میکروگرم هستند. با این حال، فرآیند افزایش مقیاس آن‌ها باید ساده باشد. سپس تمام چیزی که باقی می‌ماند تا PBC های سه‌بعدی بزرگ را تشکیل دهد این است که فضای خالی را به طور شیمیایی در این بلورها با سیلیکون خالص یا دی‌اکسید تیتانیوم پر کنیم (به ترتیب برای استفاده با نور مادون‌قرمز یا مرئی) و سپس بلوک‌های سازنده را حل کنیم.

یکی از هیجان‌انگیزترین کاربردهای PBC ها برای کامپیوترهای کوانتومی است. در این دستگاه‌ها، بیت‌های دیجیتال که مقادیر «۰» یا «۱» را در یک کامپیوتر معمولی ذخیره می‌کنند، با بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) جایگزین می‌شوند که می‌توانند همزمان هم «۰» و هم «۱» باشند. این جایگزینی، محاسبات بسیار سریع‌تر از بسیاری از مسایل ترکیبی دشوار که می‌تواند در شکستن کد با آن‌ها مواجه شود را ممکن می‌سازد. چالش ایجاد کامپیوترهای کوانتومی عملی در اتصال بسیاری از کیوبیت‌ها به یکدیگر، به طور معمول با استفاده از سیگنال‌های فوتونیک، و همچنین جداسازی کیوبیت‌ها به طوری که با تداخل از دنیای خارج درهم شکسته نشوند، نهفته‌است.

لوله‌های اطراف فوتون در یک میکرو مدار PBC راه حلی برای مشکل اول است، و PBC های دو بعدی از قبل برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی نمونه استفاده می‌شدند. اما از آنجا که مدارهای فوتونیک کوانتومی فعلی صفحات دوبعدی نازک هستند، عملکرد آن‌ها محدود است-فوتون‌ها ممکن است به بیرون نشت کنند و اختلالات می‌توانند به داخل نشت کنند. یک راه‌حل ساده برای هر دو مشکل، محصور کردن این مدارها بین دو تکه PBC سه‌بعدی است. به طور کلی، PBC های انبوه باعث ایجاد طیف گسترده‌ای از فن‌آوری‌ها در تولید سیستم‌های کوانتومی بزرگ، دستکاری کنترل‌شده آن‌ها با استفاده از نور، و تعامل با الکترونیک متعارف می‌شود. پتانسیل و کاربردهای نهایی چنین فن‌آوری‌هایی تخیل ما را به چالش می‌کشند.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات تخصصی علم مواد ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.