موفقیت ژاپن در ایجاد منبع نور کوانتومی در نانولوله کربنی با لیزر

چالش تولید فوتون‌های منفرد برای ارتباطات امن

نور، که امروزه حامل اصلی داده‌ها از تماس‌های تلفنی تا ایمیل‌ها از طریق فیبرهای نوری است، دارای جنبه‌ای کوانتومی است که پتانسیل دگرگونی شیوه ارتباطات را دارد. انتقال اطلاعات با استفاده از ذرات منفرد نور یا همان فوتون‌ها، امکان ساخت سیستم‌های ارتباطی را فراهم می‌کند که عملاً غیرقابل نفوذ هستند.

با این حال، چالش اصلی در تحقق ارتباطات کوانتومی، یافتن یک روش مطمئن برای تولید این فوتون‌های منفرد در شرایط واقعی و عملیاتی بوده است. منابع نوری مورد نیاز برای این فناوری باید فوتون‌ها را به صورت تک‌تک و نه به شکل دسته‌ای منتشر کنند.

نانولوله‌های کربنی: گزینه‌ای جذاب با مشکل کنترل

اگرچه مواد متعددی قادر به انتشار فوتون‌های منفرد هستند، اما اغلب نیازمند شرایط بسیار خاصی مانند دماهای بسیار پایین هستند. در این میان، نانولوله‌های کربنی به دلیل توانایی انتشار فوتون‌های منفرد در دماهای عملیاتی و طول موج‌های مناسب، گزینه‌ای جذاب برای توسعه دستگاه‌های کوانتومی کاربردی محسوب می‌شدند.

مشکل اساسی نانولوله‌ها این بود که در طول خود، چندین نقطه به صورت همزمان قابلیت ساطع کردن نور را داشتند و دانشمندان کنترل دقیقی بر تعداد یا محل شکل‌گیری این نقاط نداشتند. این عدم کنترل، نور ساطع‌شده را غیرقابل پیش‌بینی می‌کرد که برای فناوری‌های کوانتومی غیرقابل قبول است. پیش از این، هیچ روشی قادر به ایجاد تنها یک نقطه ساطع‌کننده نور در یک موقعیت مشخص روی نانولوله نبود.

راهکار لیزری و مهندسی نقص کوانتومی

تیم پژوهشی کاتو این مشکل را با ترکیب فرآیند ساخت دقیق و پایش همزمان حل کرد. مراحل کلیدی این روش عبارتند از:

• آماده‌سازی: یک نانولوله کربنی منفرد روی یک شیار چند میکرومتری آویزان شد تا کنترل بر طول آن تسهیل یابد.
• واکنش‌دهی: نانولوله در معرض بخار ایودوبنزن (ماده‌ای که می‌تواند با کربن واکنش دهد) قرار گرفت.
• تمرکز لیزر: پرتو لیزر فرابنفش روی نقطه‌ای مشخص از نانولوله متمرکز شد. این نور فرابنفش، واکنشی میان نانولوله و مولکول‌های ایودوبنزن ایجاد کرد.

این واکنش منجر به شکل‌گیری نقصی بسیار کوچک در ساختار کربنی شد که به «رنگ‌مرکز» معروف است. رنگ‌مرکز یک نقص کوانتومی مهندسی‌شده است که الکترون‌ها و حفره‌های جفت‌شده را محبوس کرده و انرژی آن‌ها را به صورت نور منفرد (فوتون) آزاد می‌کند. به عبارت دیگر، این نقطه به منبع نور کوانتومی نانولوله تبدیل شد.

تیم پژوهشی با پایش مداوم شدت نور ساطع‌شده، اطمینان حاصل کرد که تنها یک رنگ‌مرکز شکل می‌گیرد و به محض مشاهده تغییر شدت که نشان‌دهنده شکل‌گیری مرکز بود، واکنش متوقف شد.

دقت میکرومتری و چشم‌انداز آینده

پژوهشگران توانستند با حرکت دادن پرتو لیزر، محل دقیق رنگ‌مرکز را با دقتی در حدود یک میکرومتر کنترل کنند. این سطح از کنترل، یک پیشرفت حیاتی است که راه را برای توسعه مدار‌های فوتونیکی مقیاس‌پذیر در دمای اتاق و در طول موج‌های مخابراتی هموار می‌کند.

این فناوری می‌تواند امکان ادغام مستقیم نانولوله‌های کربنی در شبکه‌های فیبر نوری موجود را فراهم کند و در آینده‌ای نزدیک، به ساخت دستگاه‌های ارتباطی فوق امن منجر شود که هرگونه تلاش برای رهگیری سیگنال را به سرعت آشکار می‌سازد.

با این حال، چالش‌های پیش‌رو شامل تولید انبوه و قابل اعتماد تعداد زیادی از منابع فوتون منفرد و ادغام موفقیت‌آمیز آن‌ها در مدار‌های فوتونیکی پیچیده روی تراشه است. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که گام بعدی آن‌ها، ادغام این منابع روی تراشه‌ها و همکاری با تولیدکنندگان تجهیزات فوتونیکی برای کاربردهای واقعی خواهد بود. مطالعه مذکور در نشریه «نانو لترز» (Nano Letters) منتشر شده است.