غالبًا لا تأتي فائدة الألماس في التكنولوجيا الكمومية من بنية بلورية خالية من العيوب، بل من عيوب يجري التحكم فيها بدقة. وتفيد أبحاث جديدة بأن نبضات ليزر فوق بنفسجية موضعية يمكنها تعديل عيوب محددة في الألماس مع إبقاء مراكز النيتروجين-الفجوة القريبة سليمة، وهي نتيجة قد تساعد الباحثين على جعل الأجهزة الكمومية القائمة على الألماس أكثر قابلية للتحكم.
واستخدمت الدراسة المنشورة في Diamond and Related Materials نبضات ليزر فوق بنفسجية بطول موجي يبلغ 266 نانومترًا لإشعاع مناطق موضعية من ألماسة أحادية البلورة مصنّعة بالترسيب الكيميائي للبخار. ولم تدم النبضات سوى بضع نانوثوانٍ، فركزت طاقتها في مساحات صغيرة بدلًا من تسخين المادة بأكملها.
تعالج الدراسة تحديًا عمليًا في العتاد الكمومي: فقد تؤثر تقنية تُستخدم لإنشاء عيب أو تغييره عن غير قصد في عيب آخر قريب. وتكتسب السيطرة الانتقائية أهمية خاصة عندما يعتمد الجهاز على مراكز النيتروجين-الفجوة، أو NV، بوصفها كيوبتات وحساسات.
لماذا تهم عيوب الألماس
على المستوى الذري، تتكون شبكة الألماس المثالية من ترتيب متكرر لذرات الكربون. وتقطع العيوب هذا الترتيب. وعلى الرغم من أن كلمة «عيب» قد تبدو غير مرغوبة، فإن بعض هذه السمات الذرية تمنح الألماس خصائص بصرية وإلكترونية مفيدة.
ومركز NV أحد الأمثلة. فهو يتشكل عندما توجد ذرة نيتروجين وفجوة مجاورة داخل شبكة الألماس. ويمكن استخدام هذه المراكز كيوبتات ومجسات حساسة للمجالات المغناطيسية والكهربائية. ولذلك فهي مهمة لأبحاث المعلومات الكمومية وتطبيقات الاستشعار على حد سواء.
لكن الحساسية نفسها التي تجعل مركز NV مفيدًا قد تجعله عرضة لتغيرات غير مرغوبة في بيئته المحلية. ويحتاج الباحثون إلى أساليب تغير تجمعات العيوب المستهدفة من دون إضعاف خصائص مراكز NV التي يريدون الحفاظ عليها.
التعرض الموضعي للأشعة فوق البنفسجية
في التجربة الموصوفة، عرّض الباحث Emmanuel E. Umukoro ألماسة CVD أحادية البلورة لضوء فوق بنفسجي بطول موجي قدره 266 نانومترًا. وكانت نبضات الليزر قصيرة، لا تتجاوز بضع نانوثوانٍ، وطُبقت على مناطق موضعية من البلورة.
لم يكن الهدف تسخين الألماسة بأكملها، بل اختبار ما إذا كان التنشيط الضوئي الموضعي يستطيع تغيير عيوب معينة في الشبكة بطريقة مضبوطة. ثم استخدم الباحثون خرائط التلألؤ الضوئي لفحص تغير الانبعاث المرتبط بسمات العيوب عبر المناطق المشععة.
وتهم هذه المقاربة الموضعية لأن الأجهزة الكمومية ستحتاج عمومًا إلى تحكم على مقاييس صغيرة. وقد يكون العلاج الذي يغير مساحة واسعة من المادة مفيدًا للمعالجة السائبة، لكنه أقل ملاءمة للأنظمة التي يجب فيها وضع العيوب أو تعديلها أو الحفاظ عليها بدقة أكبر.
حماية الكيوبتات الموجودة في المادة
النتيجة الأساسية التي تصفها الدراسة هي الانتقائية: إذ استطاعت المعالجة بليزر فوق بنفسجي هندسة بعض عيوب الألماس مع إبقاء كيوبتات النيتروجين-الفجوة سليمة. وعمليًا، تشير النتيجة إلى أن المعالجة البصرية قد توفر وسيلة لضبط جزء من مشهد عيوب الألماس من دون إزعاجه كله بالضرورة.
وهذا التمييز مهم لأن الألماس يمكن أن يستضيف أنواعًا متعددة من العيوب على مسافات متقاربة. وإذا أثرت عملية التعديل في كل العيوب بلا تمييز، فقد تمحو السلوك الكمومي الذي صُمم الجهاز للاستفادة منه أو تضعفه. وقد تمنح تقنية تفصل بين هذه التأثيرات المصممين خيارات أكثر.
ولا تعني الدراسة أن كل عيب يمكن التحكم فيه مستقلًا تحت جميع الظروف. بل تقدم دليلًا على أن النبضات فوق البنفسجية يمكن استخدامها أداة انتقائية، على الأقل في المادة والإعداد التجريبي المدروسين. وستكون هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحديد مدى انتقال المقاربة إلى عينات ألماس وبنى أجهزة وتركيبات عيوب مختلفة.
مسألة تصنيع للتكنولوجيا الكمومية
تواجه أنظمة كمومية كثيرة مشكلة هندسية مشتركة: فإثبات وجود كيوبت أمر، وصنع أعداد كبيرة من الأجهزة ذات الخصائص القابلة للتكرار أمر آخر. وفي الألماس، يشمل هذا التحدي التحكم في العيوب التي تنشئ حالات كمومية مفيدة مع تجنب التلف أو التباين غير المرغوب فيه.
وتجذب المعالجة بالليزر الاهتمام جزئيًا لأن الضوء يمكن تركيزه على منطقة محدودة. كما تضيف النبضات فوق البنفسجية القصيرة درجة محتملة أخرى من التحكم عبر إيصال الطاقة بسرعة وبشكل موضعي. وتشير النتيجة الجديدة إلى أساليب لهندسة العيوب قد تكون متوافقة مع إجراء تغييرات مستهدفة بعد إعداد الألماسة بالفعل.
وقد يكون ذلك مفيدًا للباحثين الذين يستكشفون الحساسات الكمومية، إذ يمكن لسلوك مركز NV وبيئته المحيطة أن يحدد ما يستطيع الجهاز قياسه. وقد يهم أيضًا تجارب المعلومات الكمومية التي تعتمد على الحفاظ على كيوبتات متماسكة وقابلة للاستخدام في مواد مصممة هندسيًا.
من العيوب إلى مكونات الأجهزة
والدرس الأوسع هو أن العيوب تتحول إلى عناصر تصميم. ففي أبحاث المواد التقليدية، تكون المثالية غالبًا هي الهدف. أما في المواد الكمومية، فقد تؤدي عيوب مختارة بعناية الوظيفة الأساسية.
وبالنسبة إلى المنصات القائمة على الألماس، لا تتمثل الخطوة التالية في إنتاج عيوب أكثر فحسب، بل في إنتاج العيوب المناسبة في الأماكن المناسبة مع الاحتفاظ بالعيوب المفيدة الموجودة أصلًا. وتجربة النبضات فوق البنفسجية خطوة نحو هذا الشكل الأكثر انتقائية من التحكم في المواد.
ومع انتقال التقنيات الكمومية من العروض المختبرية إلى أجهزة تضم مكونات أكثر وتفاوتات أكثر صرامة، قد تصبح القدرة على التلاعب بالسمات الذرية من دون إزعاج الكيوبتات المجاورة أكثر أهمية. وتقدم هذه الدراسة دليلًا على أن الضوء فوق البنفسجي الموضعي يمكن أن يكون جزءًا من هذه الأدوات.
يستند هذا المقال إلى تقرير نشره Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org