دانشمندان در حال توسعه یک تکنیک جدید اشعه ایکس برای مشاهده واکنش مواد کوانتومی به پالس های لیزر هستند

یافته های کلیدی

• دانشمندان Argonne یک تکنیک جدید تصویربرداری اشعه ایکس را توسعه داده اند که در سه بعدی و در زمان واقعی نحوه واکنش کاربید سیلیکون پس از یک پالس لیزر فوق سریع را نشان می دهد.
• این تکنیک دو فرآیند انتقال انرژی در داخل کریستال را نشان می دهد: یک موج مکانیکی سریع و ارتعاشات اتمی کندتر که توسط گرما هدایت می شود.
• این بینش‌ها می‌تواند به محققان کمک کند تا نقص‌های کوانتومی را دقیق‌تر نشان دهند و از توسعه دستگاه‌های کوانتومی قابل اعتماد و روش‌های ساخت حمایت کنند.

Newswise – ایجاد یک دستگاه کوانتومی اغلب با آسیب رساندن عمدی به یک کریستال شروع می شود.

دانشمندان یک پالس لیزری فوق سریع را به یک ماده شلیک می کنند و اتم ها را جابجا می کنند و نقص های کوچکی به نام جاهای خالی بر جای می گذارند. این جاهای خالی به دور از نقص بودن، می‌توانند مانند کیوبیت‌ها – بلوک‌های ساختمان اولیه اطلاعات کوانتومی – رفتار کنند.

چالش دقت است.

محققان می‌خواهند این نقص‌های کوانتومی را دقیقاً در جایی که به آن‌ها نیاز دارند قرار دهند، اما تاکنون فقط درک محدودی از آنچه در درون کریستال در لحظه‌ای که لیزر این نقص را ایجاد می‌کند، داشته‌اند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) گام مهمی در جهت حل این مشکل برداشته اند.

این تیم با استفاده از منبع پیشرفته فوتون (APS)، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE، یک تکنیک جدید تصویربرداری اشعه ایکس را توسعه دادند که به آنها اجازه می دهد در سه بعدی و در زمان واقعی، نحوه واکنش کاربید سیلیکون را بلافاصله پس از برخورد با پالس لیزر فوق سریع مشاهده کنند. کار آنها عکس‌های لحظه‌ای از نحوه حرکت انرژی لیزر در مواد ارائه می‌دهد – گامی کلیدی در ساخت دستگاه‌های کوانتومی با دقت اتمی.

این تحقیق در ACS Nano ظاهر می شود و توسط Q-NEXT، مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی DOE به رهبری Argonne پشتیبانی می شود.

Haidan Wen، دانشمند Argonne، نویسنده این مقاله، می گوید: «قبل از اینکه بتوانید به طور دقیق نقص های کوانتومی را مهندسی کنید، باید دقیقاً بفهمید که لیزر در داخل ماده چه می کند. این تکنیک به ما اجازه می‌دهد تا نحوه آشکار شدن این فرآیند را مشاهده کنیم، به ویژه اینکه چگونه اتم‌ها به روش‌هایی حرکت می‌کنند که قبلا امکان‌پذیر نبود.

ساخت مواد کوانتومی بهتر

بر اساس ویژگی‌های خاص فیزیک کوانتومی، انتظار می‌رود فناوری اطلاعات کوانتومی راه‌های جدیدی را برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات در اختیار ما قرار دهد. آنها می توانند کشف دارو را تسریع کنند، به امن تراکنش های مالی کمک کنند و با استفاده از محاسبات کوانتومی، راه حل هایی برای مشکلات حل نشدنی فعلی ارائه دهند. اساس این فناوری ها کیوبیت است.

کاربید سیلیکون به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین مواد کیوبیت در حال ظهور است. این قابلیت میزبانی از نقایص در مقیاس اتمی است که حالت های کوانتومی آن می تواند اطلاعات را ذخیره و پردازش کند. و در حال حاضر به طور گسترده توسط صنعت نیمه هادی استفاده می شود و آن را به یک پلت فرم جذاب برای تولید فناوری های کوانتومی آینده در مقیاس تبدیل می کند.

دانشمندان این نقص ها را با ضربه زدن به کریستال با پالس های لیزر فوق سریع که تنها میلیونیم یک میلیاردم ثانیه طول می کشد، ایجاد می کنند.

در مقایسه با روش‌های قبلی که بر پرتوهای الکترونی یا یونی متکی بودند، لیزرها توانایی ایجاد حفره‌ها را در مکان‌هایی که به دقت انتخاب شده‌اند در داخل کریستال ارائه می‌دهند. اما محققان به طور کامل متوجه نشده اند که چگونه انرژی از مواد قبل از تشکیل یک حفره عبور می کند.

ون گفت: “هدف بلند مدت ما ایجاد قطعی نقص است.” ما می‌خواهیم هر بار بتوانیم یک نقص کوانتومی را دقیقاً در همان جایی که می‌خواهیم قرار دهیم.»

استفاده از اشعه ایکس به عنوان دوربین

برای درک بهتر این فرآیند، محققان به APS، یکی از درخشان ترین منابع اشعه ایکس در جهان، روی آوردند.

رویکرد آنها یک لیزر فوق سریع را با یک پرتو اشعه ایکس بسیار کوچک و بسیار متمرکز ترکیب می کند. لیزر این فرآیند را آغاز می‌کند، در حالی که پالس‌های اشعه ایکس با زمان دقیق مانند دوربین عمل می‌کنند و نحوه واکنش کریستال را در طول زمان ثبت می‌کنند.

برخلاف نور مرئی، پرتوهای ایکس سخت به اعماق یک ماده نفوذ می‌کنند در حالی که به موقعیت اتم‌های منفرد حساس باقی می‌مانند. این به محققان اجازه داد تا تغییرات ساختاری زیر سطح را مشاهده کنند – چیزی که تکنیک‌های نوری معمولی نمی‌توانند به راحتی به آن دست یابند. محققان از مرکز مواد نانومقیاس Argonne – یکی دیگر از امکانات کاربر دفتر علوم DOE – برای تفسیر الگوهای پراش اشعه ایکس استفاده کردند و از آنها برای اندازه گیری تغییر در کاربید سیلیکون استفاده کردند.

این تیم همچنین با متمرکز کردن پرتو اشعه ایکس به عرض صدها نانومتر – صد برابر نازک‌تر از عرض یک موی انسان – به وضوح فضایی بسیار خوبی دست یافتند.

استفان هروشکیویچ، دانشمند Argonne، یکی از نویسندگان مقاله، می گوید: «این به ما راهی می دهد تا نه تنها آنچه روی سطح اتفاق می افتد، بلکه چگونگی ایجاد واکنش در اعماق کریستال را نیز ببینیم. این اطلاعات عمق وجود ندارد و برای درک چگونگی شکل‌گیری نقص‌های کوانتومی ثبت‌شده توسط لیزر ضروری است.»

دنبال کردن انرژی از طریق کریستال

اندازه‌گیری‌ها دو روش متفاوت را نشان دادند که در آن انرژی پس از پالس لیزر حرکت می‌کند.

مقداری از انرژی به سرعت در کریستال به عنوان یک موج مکانیکی سازمان یافته حرکت می کند، شبیه به امواجی که پس از برخورد در سطح کشیده منتشر می شوند. در همان زمان، مقداری از انرژی به آرامی به عنوان گرما تلف می‌شود و باعث می‌شود اتم‌های مجاور به‌طور تصادفی قبل از اینکه کریستال به تدریج به حالت تعادل بازگردد، ارتعاش کنند.

برای اولین بار، محققان توانستند مستقیماً تصویر کنند که چگونه این فرآیندهای مختلف انتقال انرژی هم در سطح و هم در عمق مواد آشکار می شوند. توانایی تصویربرداری از انتشار انرژی از سطح کریستال به داخل سطحی از جزئیات را معرفی می کند که قبلاً در دسترس نبود.

برای تجسم فرآیند، تصور کنید که یک توپ بولینگ را روی یک صفحه لاستیکی جامد می‌غلتانید. ضربه امواج را از طریق مواد می فرستد. لیزر اغتشاش مشابهی را در داخل کریستال ایجاد می کند و APS به عنوان یک دوربین فوق سریع عمل می کند و مجموعه ای از تصاویر اشعه ایکس را می گیرد که نشان می دهد چگونه اغتشاش منتشر می شود و پس از اصابت لیزر چگونه محو می شود.

درک این رفتار در نهایت می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا شرایط نوشتن لیزر را برای تولید نقص‌های کوانتومی قابل اطمینان‌تر تنظیم کنند.

Hruszkewycz می گوید: «هر پیشرفت در درک ما، ما را به مهندسی مواد کوانتومی نزدیکتر می کند، نه اینکه آنها را از طریق آزمون و خطا کشف کنیم.

بستری برای اکتشافات آینده

اگرچه این مطالعه بر روی کاربید سیلیکون متمرکز بود، محققان می گویند رویکرد تصویربرداری را می توان با بسیاری از مواد دیگر مورد استفاده در علم اطلاعات کوانتومی تطبیق داد.

این کار همچنین قابلیت‌های منحصربه‌فرد موجود در APS را برجسته می‌کند، جایی که اپتیک پیشرفته اشعه ایکس، سیستم‌های لیزر فوق سریع و الکترونیک زمان‌بندی دقیق آزمایش‌هایی مانند این را ممکن می‌سازد.

برای Argonne که تخصص در علم اطلاعات کوانتومی را با خصوصیات مواد در کلاس جهانی ترکیب می کند، این پروژه نشان می دهد که چگونه ابزارهای اندازه گیری جدید می توانند توسعه فناوری های کوانتومی آینده را تسریع کنند.

توانایی تماشای واکنش مواد در زمان واقعی به خودی خود کیوبیت های بهتری ایجاد نمی کند. اما با آشکار ساختن فرآیندهای فیزیکی که بر شکل‌گیری آن‌ها حکومت می‌کنند، به دانشمندان دانش لازم برای بهبود نحوه ساخت آنها را می‌دهد.

ون گفت: «هدف ما فقط مشاهده این فرآیندها نیست. ما باید به اندازه کافی از آنها یاد بگیریم که در نهایت بتوانیم دستگاه های کوانتومی را با سطح دقتی که فناوری های کوانتومی عملی نیاز دارند بسازیم.”

کومار نیراج، متیو جی هایلند، تائو ژو، بوراک گوزلتورک، دونالد آ. والکو، ناتان سی فلاندرز، نازار دلگان، اف. جوزف هرمانز، و مارتین وی. هولت از نویسندگان مشترک با هروسکویچ و ون هستند.

این مطالب بر اساس کارهایی است که توسط مرکز تحقیقات ملی اطلاعات کوانتومی دفتر علوم DOE به عنوان بخشی از مرکز Q-NEXT پشتیبانی می شود.

درباره مرکز آرگون برای مواد نانومقیاس

مرکز مواد در مقیاس نانو یکی از پنج مرکز تحقیقاتی نانومقیاس DOE است که پیشرو امکانات کاربر ملی برای تحقیقات بین رشته‌ای در مقیاس نانو است که توسط دفتر علوم DOE نگهداری می‌شود. با هم، NSRCها مجموعه‌ای از تسهیلات تکمیلی را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، شناسایی و مدل‌سازی مواد در مقیاس نانو در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگترین سرمایه‌گذاری زیرساختی طرح ملی نانوتکنولوژی را نشان می‌دهند. NSRCها در آزمایشگاه‌های ملی آرگون، بروکهاون، لارنس برکلی، اوک ریج، ساندیا و لوس آلاموس DOE واقع شده‌اند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد NSRC DOE، لطفاً به https://sci​ence.osti.gov/User​-Fa​cIl ities/User-Faci​l​i​tie-a-a-at مراجعه کنید.

درباره منبع فوتون پیشرفته

منبع فوتون پیشرفته (APS) دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین امکانات منبع نور پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی مناسب است. توزیع عنصری؛ حالت های شیمیایی، مغناطیسی، الکترونیکی؛ و طیف گسترده‌ای از سیستم‌های مهندسی مهم از نظر فناوری، از باتری‌ها تا اسپری‌های انژکتوری سوخت، که همگی زیربنای رفاه اقتصادی، فنی و فیزیکی کشور ما هستند. هر ساله، بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 نشریه در توصیف اکتشافات چشمگیر و حل ساختارهای پروتئینی بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی منبع نور اشعه ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال ابداع فناوری هستند که زیربنای عملیات پیشرفته شتاب دهنده و منبع نور است. این شامل دستگاه‌های درج می‌شود که پرتوهای ایکس بسیار درخشان را تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتو ایکس با نمونه‌های مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، ونرم افزاری که حجم وسیعی از داده های حاصل از تحقیقات کشف APS را جمع آوری و مدیریت می کند.

این تحقیق از منابع موجود در Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می‌شود، استفاده کرد.

درباره Q-NEXT

Q-NEXT مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی وزارت انرژی ایالات متحده است که توسط آزمایشگاه ملی آرگون هدایت می شود. این مرکز پژوهشگران درجه یک جهانی را از آزمایشگاه های ملی، دانشگاه ها و شرکت های فناوری گرد هم می آورد تا علم و فناوری کنترل و انتشار اطلاعات کوانتومی را پیش ببرند. Q-NEXT شبکه‌های حسگر و سیستم‌های ارتباطی امن را توسعه می‌دهد، موادی را برای دستگاه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر ایجاد می‌کند، و نسل بعدی نیروی کار آماده کوانتومی را آموزش می‌دهد تا از ادامه رهبری علمی و اقتصادی ایالات متحده در زمینه به سرعت در حال توسعه علم اطلاعات کوانتومی اطمینان حاصل کند. به https://q​-next​.org/ مراجعه کنید.

آزمایشگاه ملی آرگون با انجام تحقیقات بنیادی و کاربردی پیشرو در تقریباً هر رشته علمی به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. Argonne توسط UChicago Argonne، LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما تلاش می کند. برای اطلاعات بیشتر، به https://energy.gov/​science مراجعه کنید.