دانشمندان با اعمال تغییرات ظریف مکانیکی مانند کشش یا فشردن ساختار الماس، موفق به کنترل دقیق رفتار کوانتومی نقصهای درون آن شدهاند؛ روشی که دریچهای تازه برای ساخت حسگرهای فوقدقیق و نسل جدید فناوریهای کوانتومی گشوده است.
به گزارش سیناپرس، دانشمندان نشان دادهاند که با کشیدن یا فشردهسازی الماس میتوان رفتار کوانتومی نقصهای درون آن را با دقتی بیسابقه کنترل کرد؛ روشی نوین که راه را برای ساخت حسگرهای فوقحساس و نسل جدید فناوریهای کوانتومی هموار میکند.
پژوهشگران در مطالعهای تازه نشان دادهاند که با اعمال تغییرات مکانیکی بسیار ظریف مانند کشیدن یا فشردهسازی ساختار الماس میتوان رفتار کوانتومی نقصهای بسیار ریز درون آن را بهدقت کنترل کرد؛ دستاوردی که میتواند نسل جدیدی از حسگرهای فوقحساس برای اندازهگیری فشار، دما و سایر کمیتهای فیزیکی را به همراه داشته باشد.
این نقصها که با نام مراکز رنگی شناخته میشوند، پیشتر نیز در فناوریهای کوانتومی، از جمله حسگرهای بسیار دقیق و سامانههای در حال توسعه ارتباطات کوانتومی کاربرد داشتهاند. در میان آنها مرکز سیلیکون-جایخالی (SiV) بهدلیل تولید نور پایدار و درخشان گزینهای بسیار مناسب برای استفاده در دستگاههای کوانتومی محسوب میشود.
در این تحقیق تیمی بینالمللی به رهبری پژوهشگران دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور (SUTD) و دانشگاه یانگژو چین رفتار این مراکز SiV را در شرایط اعمال تنش مکانیکی بررسی کردند. آنها با استفاده از مدلسازیهای محاسباتی پیشرفته تغییرات ساختار اتمی و ویژگیهای نوری این نقصها را در هنگام کشیده شدن یا فشرده شدن شبکه بلوری الماس تحلیل کردند.
نتایج نشان داد که رفتار این نقصها پیچیده، اما قابل پیشبینی است. در حالت فشردهسازی، ساختار نقص پایدار باقی میماند و تقارن اولیه خود را حفظ میکند اما زمانی که کشش از حد بحرانی حدود ۴ درصد فراتر میرود ساختار دچار تغییر اساسی شده و تقارن آن شکسته میشود؛ فرآیندی که به شکلگیری آرایش اتمی جدیدی منجر میگردد.
تغییرات نوری ابزاری برای اندازهگیری دقیق
این دگرگونی ساختاری نحوه تعامل نقص با نور را نیز تغییر میدهد. پژوهشگران دریافتند که ویژگیهای نوری مهم مانند رنگ و شدت نور گسیلشده بهصورت تدریجی و قابل پیشبینی با میزان تنش تغییر میکنند.
به گفته یکی از پژوهشگران این تغییرات نوری میتواند مانند خطکشی درونی عمل کند؛ بهطوریکه تنها با اندازهگیری نور ساطعشده از این نقصها میتوان میزان کشش یا فشار واردشده به ماده را با دقت بالا تعیین کرد.
این پاسخ یکنواخت و قابل کنترل باعث میشود مراکز SiV گزینهای بسیار مناسب برای حسگرهای در مقیاس نانو باشند. چنین حسگرهایی قادر خواهند بود تغییرات بسیار کوچک فشار یا کرنش را حتی در ساختارهای نانومتری شناسایی کنند.
گسترش قابلیتها با ویژگیهای مغناطیسی
علاوه بر خواص نوری این مطالعه به بررسی ویژگیهای مغناطیسی این نقصها نیز پرداخته است. مشخص شد که این ویژگیها که در روشهایی مانند تشدید اسپین الکترونی اهمیت دارند در اثر تنش بهصورت قابل پیشبینی تغییر میکنند.
این موضوع امکان استفاده از مسیرهای مکمل برای آشکارسازی تغییرات محیطی را فراهم میکند و دامنه کاربردهای این سیستم را گسترش میدهد.
پژوهشگران همچنین توضیح دادهاند که منشا این تغییرات به دگرگونی در ساختار الکترونیکی نقص بازمیگردد. با انبساط یا انقباض شبکه بلوری الماس آرایش الکترونی تغییر کرده و در نتیجه، نحوه برهمکنش با نور و میدانهای مغناطیسی نیز دستخوش تغییر میشود. این ارتباط، پلی میان فیزیک بنیادی کوانتومی و کاربردهای عملی ایجاد میکند.
یافتههای این پژوهش نشان میدهد که مراکز SiV میتوانند به اجزایی قابل اعتماد و قابل تنظیم برای حسگرهای کوانتومی تبدیل شوند؛ بهویژه در شرایطی که مواد تحت تنش مکانیکی قرار دارند مانند تحقیقات فشار بالا، دستگاههای نانومقیاس و مواد پیشرفته.
به نقل از برنا، پژوهشگران تاکید میکنند که امکان کنترل دقیق خواص کوانتومی از طریق تغییرات مکانیکی فرصتهای جدیدی برای طراحی حسگرهای چندمنظوره و سامانههای تطبیقی فراهم میکند؛ سامانههایی که میتوانند بهصورت لحظهای به تغییرات محیطی پاسخ دهند.
این دستاورد نهتنها درک عمیقتری از رفتار نقصهای کوانتومی در مواد جامد ارائه میدهد بلکه مسیر را برای توسعه فناوریهای پیشرفته در حوزه حسگری، ارتباطات و محاسبات کوانتومی هموار میسازد.