اتصال کوانتومی با نور توپولوژیکی
فیزیک دانانی از ایالات متحده موفق شده اند تک فوتون ها را به حالتهای لبه ا یِ توپولوژیکی گسیل کنند. این پژوهش ارتباط مستقیمی مابین اپتیک کوانتومی و فوتونیک توپولوژیکی فراهم کرده و می تواند در گستره ی وسیعی از کاربردها، شامل ارتباطات و محاسبات کوانتومی حائز اهمیت باشد.
عایق های توپولوژیکی موادی هستند که در توده ی ماده عایق اند اما الکترون ها در لبه ی چنان موادی قادرند بدون پراکندگی در یک جهت که به جهت اسپین شان مربوط است، حرکت کنند. رفتارهای توپولوژیکیِ مشابهی نیز در انواع مختلفی از دیگر سیستم ها همچون ارتعاشات مکانیکی و نور دیده شده است. امکان حرکت بدون پراکندگیِ تک فوتون ها علاقه ی ویژه ای را در کاربردهای فرایند اطلاعات کوانتومی به خود جلب کرده است. محمد حافظی، کوانتوم اپتیک دان از موسسه ی کوانتومی در دانشگاه مریلند در کالج پارک توضیح می دهد که اگرچه فوتونیک توپولوژیکی یک پدیده ی ذاتاً کوانتومی است اما تابحال تنها با نور کلاسیکی نشان داده شده است.
تقارن لانه زنبوری
اکنون پژوهش گرانی از مریلند به رهبری حافظی و ادو واکس ( Edo Waks ) ساختار نامتجانسی شامل دو نانوساختار اپتیکی متناوب مجاورهم را تشکیل داده اند که بلور فوتونی نامیده می شود که هر کدام از ان ها شامل شبکه های لانه زنبوری گالیوم ارسناید است. یک شبکه ی کاملاً متناوب، فوتون هایی را با هر فرکانسی منتقل می کند، به گفته ی حافظی: « اساساً می توانید مثل گرافن به ان نگاه کنید». هر سیستمی که این تقارن لانه زنبوری را داشته باشد مخروط دیراک را نیز داراست و هیچ گاف نواری ندارد. با این حال برهم زدن ساختار نواری یک گاف نواری اپتیکی ایجاد خواهد کرد. در ساختار این پژوهش گران، فوتون ها در طول موج حدود ۹۵۰ نانومتر منتشر نمی شوند.
این پژوهش گران در یک بلور فوتونی، حفره های مثلثیِ هر شش گوش را به طرف مرکز شش گوش جابجا کردهاند. در یک بلور دیگر، ان ها این حفره ها را بیشتر جابجا کردهاند. دو گاف نواری اپتیکی ایجاد شده با این اعوجاجات چنان است که نوار انرژی در بالای گاف انرژی در بلور فوتونی اول می نشیند و در دومی در زیر گاف انرژی و برعکس. در لبه، که دو بلور همدیگر را ملاقات می کنند نوارها هم دیگر را لمس کرده و درهم فرو می روند. این پدیده باعث می شود تا حالت لبه ای ایجاد شود که انرژی ان در وسط گاف نواری هر کدام از بلورها قرار دارد. بنابراین فوتون هایی با این انرژی می توانند بین دو بلور فوتونی حرکت کنند اما هرگز در حجم بلورها پراکنده نمی شوند. ملاحظات تقارنی نشان می دهد که فوتون هایی با یک قطبش دایروی در یک جهت حرکت می کنند در حالی که فوتون هایی با قطبش دایروی معکوس در خلاف جهت حرکت می کنند.
نقاط کوانتومی جاسازی شده
این محققان نقاط کوانتومی ایندیوم-ارسناید را در درون این ساختار نامتجانس جاسازی کرده اند. ان ها ابتدا از یک لیزر با توان نسبتاً بالا استفاده کرده اند تا نقاط کوانتومی را برای گسیل نور با پهنای زیاد تحریک کنند. وقتی نور لیزر را بر یک طرف لبه متمرکز شده است، مشاهده کردهاند که نور در گاف نواری حجمی در خط مستقیم و بدون پراکندگی طی مسیر می کند درحالی که نور در فرکانس های دیگر به داخل حجم پراکنده می شود.
ان ها در ازمایش دومِ خود، توان لیزر خود را تا ۱۰ نانووات کاهش داده و نور ان را بر روی تک تک نقاط کوانتومی متمرکز کرده اند تا فوتون ها را برای گسیل یک فوتون در هر لحظه تحریک کنند. برای ان که فوتون هایی با قطبش معکوس در جهت معکوس حرکت داشته باشند، یک میدان مغناطیسی خارجی برای جداسازی انرژی های دو حالت قطبیده اعمال کرده اند. این محققان دریافته اند که (همچنانکه انتظار می رفت) فوتون هایی که در یک لبه ی انتهایی، اشکارسازی می شوند انرژی بیشتری نسبت به فوتون هایی دارند که در انتهای دیگر اشکارسازی شده اند. نهایتاً این پژوهش گران یک انحنای ۶۰ درجه ای را در لبه ایجاد کردهاند: فوتون ها در حالت لبه ای این مسیر را بدون بازتابش یا پراکندگی به داخل حجم دنبال می کنند. به گفته ی حافظی: «در اصل اکنون فوتون ها قویاً باهم دیگر اندرکنش می کنند. بنابراین تمام این ایده های فیزیک بس ذره ای و فرایند اطلاعات کوانتومی را می توان در زمینه ی فوتونیک توپولوژیکی بررسی کرد».
به بیان پیتر لداهل (
Peter Lodahl
گام بزرگ رو به جلو
به گفته
ی البرتو امو (
Alberto Amo
این پژوهش در مجله ساینس انتشار یافته است.
دربارهی نویسنده:
تیم وگان نویسنده ی علمی در انگلستان است.
منبع:
Topological light makes a quantum connection