حالت کوانتومی ‌عجیبی که می‌تواند کوچکترین لیزر ممکن را ایجاد کند

فیزیکدانان با تولید یک حالت کوانتومی‌عجیب معروف به میعانات بوز-انیشتین (BEC) در شبه ذرات متشکل از ماده و نور، گامی‌در جهت تحقق کوچکترین لیزر حالت جامد برداشتند. اگرچه این اثر تاکنون فقط در دمای فوق سرد در بلورهای نازک اتمی‌دی سلنید مولیبدن (MoSe2) مشاهده شده است، اما ممکن است در سایر مواد در دمای اتاق نیز تولید شود.

یک ماده در دمای بسیار پایین، اغلب مواقع نسبت به شرایط عادی رفتار متفاوتی دارد. وقتی ذرات تا دمای کمی ‌بیش از صفر مطلق خنک می‎شوند، یک BEC را تشکیل می‌دهند- حالتی از ماده که در آن تمام ذرات حالت کوانتومی ‌یکسانی را اشغال می‌کنند و بنابراین مانند یک ابر سیال به‌صورت هماهنگ عمل می‌نمایند. بنابراین یک BEC که از ده‌ها هزار ذره تشکیل شده‌است، طوری رفتار می‌کند که گویی یک ذره کوانتومی ‌غول پیکر است.

 

 

 

BEC از اکسیتون-پلاریتونها[1]

‎یک تیم بین المللی از محققان به سرپرستی دکتر کارلوس آنتون سولاناس و کریستین اشنایدر از دانشگاه اولدنبورگ آلمان[2] اکنون یک BEC را از شبه ذراتی که به‌عنوان اکسیتون-پلاریتون[3] شناخته می‌شوند در یک بلور اتمی‌ نازک تولید کرده‏اند. این شبه ذرات زمانی که الکترون‎های برانگیخته در جامدات به‌شدت با فوتون‎ها جفت شوند، تشکیل می‌شوند.

آنتون سولاناس، که عضوی از گروه مواد کوانتومی ‌در انستیتوی فیزیک اولدنبورگ است، توضیح می‌دهد: “دستگاه‌هایی که می‌توانند این حالات جدید نور-ماده را کنترل کنند، در مقایسه با مدارهای الکترونیکی فعلی نوید جهشی بزرگ را می‌دهند.” “چنین مدارهای نوری الکترونیکی که با استفاده از نور به‌جای جریان الکتریکی کار می‌کنند، می‌توانند در پردازش اطلاعات، بهتر و سریع‌تر از پردازنده‏های امروزی عمل کنند.”

آنتون سولاناس، اشنایدر و همکارانش بلورهای MoSe2 را که فقط یک لایه اتمی ‌ضخیم داشتند، مطالعه کردند. ترکیب MoSe2 متعلق به خانواده‏ای از مواد است که به‌عنوان دی‌کالکوژنیدهای فلز انتقالی[4] (TMDCs) شناخته می‌شوند. این مواد در شکل عمومی‌خود، به‌عنوان نیمه‌هادی‏های شکاف باند غیرمستقیم عمل می‌کنند، اما وقتی به ضخامت تک لایه تبدیل می‌شوند، به‌عنوان نیمه‌هادی‏های شکاف باند مستقیم عمل می‌کنند و قادر به جذب و انتشار نور هستند.

محققان در آزمایش های خود ورق های MoSe2 را با ضخامت کمتر از یک نانومتر ایجاد کردند و آن‌ها را بین لایه‏های متناوب دی‌اکسید سیلیکون و دی اکسید تیتانیوم (SiO2 / TiO2) قرار دادند که نور را مانند آینه منعکس می‌کنند. ساختار حاصل از این ترکیب به‌عنوان یک ریزکاواک شناخته می‌شود و مانند قفس برای نور عمل می‌کند. وقتی این ذرات بین دو آینه گیر می‌افتند، می‌توانند به‌نوبه خود الکترون های جدید را تحریک کنند – چرخه‎ای که آنقدر تکرار می‌شود تا زمانی که ذره نور از دام فرار کند. ذرات ترکیبی ماده– نوری که در این فرآیند ایجاد می‌شوند، اکسیتون-پلاریتونها نامیده می‌شوند. آن‌ها خصوصیات جالب الکترون و فوتون را با هم ترکیب می‌کنند و رفتاری مشابه ذرات فیزیکی خاصی به‌نام بوزون از خود نشان می‌دهند.  تونگای[5] یکی از اعضای این تیم می‌گوید: “این مانند به دام انداختن مواد ساطع‌کننده نور در یک اتاق پر از آینه است.”

افزایش ناگهانی انتشار نور

این تیم سیستم را تا 4 درجه کلوین خنک کرده و آن را با پالس‏های کوتاه نور لیزر برای تولید اکسیتون در  MoSe2 تحریک می‌کنند. این اکسیتون‏ها سپس با جفت شدن با نور در ریزحفره، اکسیتون-پلاریتون‎ها را تولید می‌کنند. محققان با استفاده از تکنیکی به‌نام طیف‌سنجی میکرو فوتولومینسنس قابل حل تکانه ای[6]، شاهد افزایش ناگهانی انتشار نور از نمونه، به ‌میزان بالاتر از شدت لیزر آستانه خاص بودند. آن‌ها می‌گویند که این موضوع، همراه با ایجاد فریزهای تداخل ناشی از انتشار نور پلاریتون، نشان می‌دهد که یک BEC از اکسیتون-پلاریتون ایجاد شده است.

آنتون سولاناس می‌گوید: “از نظر تئوری، می‌توان از این پدیده برای ساخت یک منبع نور همدوس فقط با یک لایه اتم استفاده کرد.” “این بدان معنی است که ما کوچک‌ترین لیزر حالت جامد ممکن را ایجاد کرده‌ایم.”  این مطالعه نتیجه پروژه “unlimit2D” به رهبری کریستین اشنایدر است که توسط یک کمک هزینه اولیه که از شورای تحقیقات اروپا (ERC) تأمین می‌شود، شروع شد و آزمایشات در دانشگاه ورزبورگ انجام شده است.

این محققان که کار خود را در Nature Materials منتشر کرده‎اند. ایشان اطمینان دارند که این اثر می‌تواند در سایر مواد اکسیتونی ، مانند TMDC های پایه تنگستن یا مواد آلی پایه هالید، در دمای اتاق نیز تولید شود. این بدان معناست که می‌توان از آن در کاربردهای عملی بهره برد. به‌همین منظور، آنها اکنون مشغول مطالعه بر روی خواص تداخلی پلاریتونهای دی سلنید تنگستن در دمای اتاق هستند.

 منابع:

https://physicsworld.com/a/exotic-quantum-state-could-make-smallest-ever-laser/

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210506142121.htm

                                        

 

[1] exciton-polaritons

[2] Carlos Anton-Solanas and Christian Schneider from the University of Oldenburg, Germany;

[3] exciton-polaritons

[4] transition-metal dichalcogenides

[5] Tongay

[6] momentum-resolved micro-photoluminescence spectro

scopy