در یک دستاورد علمی بی‌سابقه، تیمی از پژوهشگران بین‌المللی به رهبری پروفسور میریام سرنا ویت یلو موفق به تولید همزمان هارمونیک‌های زوج و فرد در باند تراهرتز شدند. این پیشرفت بنیادین که با بهره‌گیری از مواد کوانتومی و عایق‌های توپولوژیکی حاصل شده، می‌تواند تحولی عظیم در آینده فناوری کوانتومی، از مخابرات بی‌سیم فوق‌سریع گرفته تا رایانش کوانتومی، ایجاد کند. این موفقیت، که نتایج آن در مجله معتبر "لایت: ساینس اند اپلیکیشنز" منتشر شده، برای نخستین بار به‌طور تجربی مرزهای کنترل نور را در گستره تراهرتز جابه‌جا کرده است.
<
>
شکاف تراهرتز و معمای هارمونیک‌های نور
طی سالیان متمادی، ناحیه تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی، که بین امواج مایکروویو و فروسرخ قرار دارد، به دلیل چالش‌های فنی در تولید و کنترل، به "شکاف تراهرتز" معروف بود. تولید هارمونیک‌های مرتبه بالا در این محدوده برای توسعه فناوری کوانتومی و مخابراتی ضروری است، اما به دلیل تقارن ذاتی اکثر مواد، دستیابی به آن تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید. حتی مواد نویدبخشی مانند گرافین نیز تنها قادر به تولید هارمونیک‌های فرد بودند، در حالی که هارمونیک‌های زوج برای دستیابی به کنترل کامل بر طیف نور و کاربردهای پیشرفته‌تر حیاتی هستند. این محدودیت، توسعه نسل‌های بعدی فناوری‌های بی‌سیم و حسگرهای پیشرفته را با سد بزرگی مواجه کرده بود.
عایق‌های توپولوژیکی: کلید شکستن قفل نور کوانتومی
پژوهشگران برای غلبه بر این چالش، به سراغ دسته‌ای از مواد با ویژگی‌های منحصربه‌فرد به نام "عایق‌های توپولوژیکی" رفتند. این مواد، که در قلب خود مانند یک عایق عمل می‌کنند، اما در سطح بیرونی‌شان جریان برق را با کارایی بالا هدایت می‌نمایند، خواص کوانتومی شگفت‌انگیزی از خود نشان می‌دهند. این ویژگی‌ها ناشی از جفت‌شدگی قوی اسپین-مدار و تقارن وارونگی زمانی است که در ساختار آن‌ها وجود دارد. نظریه‌های فیزیک کوانتوم سال‌ها پیش پیش‌بینی کرده بودند که عایق‌های توپولوژیکی می‌توانند هارمونیک‌های پیچیده نوری را تولید کنند، اما تاکنون هیچ اثبات تجربی برای این پیش‌بینی‌ها وجود نداشت. این تیم تحقیقاتی با هوشمندی، این مواد را به عنوان کاندیدای اصلی برای تولید طیف کامل هارمونیک‌های نور انتخاب کردند.
دستاورد بی‌سابقه: تولید همزمان هارمونیک‌های زوج و فرد تراهرتز
برای به نمایش گذاشتن قابلیت‌های عایق‌های توپولوژیکی، تیم پژوهش نانوساختارهایی موسوم به "رزوناتورهای حلقه شکافته" را ابداع و از لایه‌های نازک بی₂اس‌ای₃ (Bi₂Se₃) و هتروساختارهای واندروالسی (InₓBi₁₋ₓ)₂Se₃ برای تقویت شدید شدت نور ورودی استفاده کرد. نتیجه این رویکرد خلاقانه، مشاهده همزمان و بی‌سابقه هارمونیک‌های زوج در فرکانس ۶٫۴ تراهرتز و هارمونیک‌های فرد در فرکانس ۹٫۷ تراهرتز بود. این پدیده نادر نشان داد که چگونه برهم‌کنش دقیق تقارن حجمی و عدم تقارن سطحی در این مواد می‌تواند به شکلی نوین نور را شکل دهد. این موفقیت نه تنها پیش‌بینی‌های نظری دیرینه را تأیید کرد، بلکه راه را برای کنترل بی‌سابقه‌ای بر نور تراهرتز باز گشود.
افق‌های جدید برای فناوری کوانتومی و مخابرات بی‌سیم
شکستن قفل پنهان نور تراهرتز، پیامدهای گسترده‌ای برای حوزه‌های مختلف فناوری، به‌ویژه در توسعه فناوری کوانتومی و سیستم‌های مخابراتی خواهد داشت:
مخابرات بی‌سیم فوق‌سریع: امکان توسعه نسل‌های آینده ارتباطات بی‌سیم با سرعت‌های بی‌نظیر (فراتر از ۵G و ۶G) از طریق بهره‌برداری از پهنای باند گسترده تراهرتز.
رایانش کوانتومی: طراحی و ساخت اجزای نوری پیشرفته برای رایانه‌های کوانتومی، که می‌تواند به افزایش کارایی و قابلیت اطمینان این سیستم‌ها کمک کند.
حسگرهای پیشرفته و تصویربرداری: ساخت حسگرهای فوق‌حساس برای کاربردهای امنیتی، پزشکی (مانند تصویربرداری غیرتهاجمی)، و صنعتی، و همچنین سیستم‌های تصویربرداری با وضوح بالا.
منابع تراهرتز فشرده: توسعه منابع نوری تراهرتز کوچک‌تر و کارآمدتر که می‌تواند در اسپکتروسکوپی، تشخیص مواد، و کنترل کیفیت صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
افزاره‌های اپتوالکترونیک فوق‌سریع: امکان ساخت قطعات الکترونیکی-نوری که داده‌ها را با سرعت‌های بی‌سابقه پردازش و انتقال می‌دهند.
این پژوهش که در نشریه معتبر "لایت: ساینس اند اپلیکیشنز" منتشر شده است، نه تنها مرزهای دانش را در فیزیک نور و مواد کوانتومی جابه‌جا می‌کند، بلکه راه را برای نسل جدیدی از فناوری‌ها هموار می‌سازد که می‌توانند زندگی روزمره ما را به شکلی بنیادین تغییر دهند. گشودن این قفل پنهان نور، نویدبخش آینده‌ای روشن‌تر در عصر فناوری کوانتومی است.
مطالب مرتبط
- مایکروسافت ویندوز را با سیستم عامل عامل‌محور متحول می‌کند؛ فرصت‌های هوش مصنوعی در گرو رفع نگرانی‌های حریم خصوصی
- انتخاب سرعت اینترنت خانگی: راهنمای جامع برای یک تجربه آنلاین بی‌نقص در عصر دیجیتال
- اپل با استراتژی پنهان خود در حوزه ارتباطات ماهواره‌ای، آینده مخابرات جهانی را متحول می‌سازد
- استاندارد بلوتوث 6.2 با بهبودهای اساسی در سرعت و امنیت، عصر جدیدی در اتصال بی‌سیم رقم می‌زند
سینا علیپور
او دانشجوی رشته مهندسی کامپیوتر در مقطع کارشناسی است و فعالیت حرفه‌ای خود را در عرصه رسانه از سال ۱۳۹۸ با یک بلاگ شخصی در حوزه فناوری آغاز کرده است. وی پس از مدتی به عنوان نویسنده آزاد در مجله‌های آنلاین تکنولوژی فعالیت کرد و در حال حاضر، دبیر سرویس نقد و بررسی گجت‌های هوشمند در یک مجله معتبر تکنولوژی است.
