موفقیت دانشمندان در ایجاد مدولاسیون پرتو الکترونی با استفاده از فوتونیک یکپارچه

اخیرا کامپیوترهای کوانتوی و تحقیقات در این زمینه بیش از هر زمان دیگری در مطبوعات علمی خبرساز می‌شوند؛ اما اتفاق‌نظر بر این است که تا ساخت نمونه‌های مفید این رایانه‌های انقلابی فاصله‌ی زیادی داریم. درحالی‌که بسیاری از اصول اولیه ممکن است تعریف شده باشد، مشکلات مهندسی زیادی برای تحقق‌بخشیدن به آن‌ها به‌عنوان محصول وجود دارد.

اکنون جمعی از دانشمندان با موفقیت مدولاسیون پرتو الکترونی بسیار کارآمدی را با استفاده از ریزرزوناتورهای فوتونی یکپارچه نشان داده و به‌نوعی مسیر را برای رایانش کوانتومی هموارتر کرده‌اند. میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) می‌تواند تصویر ساختارهای مولکولی در مقیاس اتمی را با استفاده از الکترون به‌جای نور ایجاد کند و انقلابی در علم مواد و زیست‌شناسی ساختاری شکل دهد.

درحقیقت، TEM نوعی میکروسکوپ الکترونیکی است که در آن پرتویی از الکترون‌ها ازطریق نمونه‌ای برای تشکیل تصویر منتقل می‌شود. نمونه اغلب بخشی فوق‌نازک با ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر یا یک سوسپانسیون روی شبکه است. میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری به‌دلیل طول‌موج کوچک‌تر الکترون‌های دو بروگلی، می‌توانند با وضوح بسیار بیشتری از میکروسکوپ‌های نوری تصویربرداری کنند.

ویژگی یادشده به این ابزار کمک می‌کند جزئیات دقیق را ثبت کند. جزئیات به‌قدری زیاد است که می‌تواند شامل ستونی از اتم‌ها باشد که هزاران بار کوچک‌تر از جسم مشاهده‌کردنی است. افزون‌براین، میکروسکوپ الکترونی عبوری روش تحلیلی عمده‌ای در علوم فیزیکی و شیمیایی و بیولوژیکی محسوب می‌شود که در تحقیقات سرطان، ویروس‌شناسی، علم مواد و آلودگی، فناوری نانو و نیمه‌هادی‌ها کاربرد پیدا می‌کنند؛ بنابراین، هرگونه پیشرفت در این زمینه می‌تواند تمامی زمینه‌های ذکرشده را دستخوش تغییرات بنیادی کند.

در دهه‌ی گذشته، خوشبختانه علاقه‌ی زیادی به ترکیب میکروسکوپ الکترونی با برانگیختگی‌های نوری نظیر تلاش برای کنترل و دستکاری پرتو الکترونی توسط نور وجود داشته است؛ اما همواره مشکلی بزرگ در این زمینه، برهم‌کنش ضعیف انتشار الکترون‌ها با فوتون‌ها بوده است. بااین‌حال، مطالعه‌ی علمی جدید می‌تواند نقطع عطفی در تلاقی رویکردهای متفاوت و به‌نتیجه‌رساندن آن‌ها باشد. این مطالعه را پروفسور توبیاس جی کیپنبرگ از مؤسسه‌ی پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) و پروفسور کلاوس روپرز در مؤسسه‌ی شیمی بیوفیزیکی ماکس پلانک و دانشگاه گوتینگن رهبری و در مجله‌ی نیچر منتشر کرده‌اند.

نتیجه‌ی این همکاری نشان می‌دهد که مدارهای مجتمع فوتونیک می‌توانند نور را روی تراشه با اتلاف بسیار کم هدایت و میدان‌های نوری را با استفاده از تشدیدکننده‌های ریزحلقه تقویت کنند. در آزمایش‌هایی که گروه روپرز انجام داد، پرتو الکترونی ازطریق میدان نزدیک نوری مدار فوتونیک هدایت شد تا این امکان را برای الکترون‌ها فراهم کند با نور تقویت‌شده تعامل کنند. محققان سپس با اندازه‌گیری انرژی الکترون‌هایی که ده‌ها تا صدها انرژی فوتون را جذب یا ساطع کرده بودند، برهم‌کنش را بررسی کردند.

این رویکرد ساده‌سازی و افزایش کارایی چشمگیری در کنترل نوری پرتوهای الکترونی ایجاد می‌کند که می‌تواند به‌طور یکپارچه در میکروسکوپ الکترونی عبوری معمولی پیاده‌سازی شود و متعاقا این طرح را بسیار کاربردی‌تر کند.

در سال‌های اخیر، مدارهای فوتونیک یکپارچه مبتنی‌بر نیترید «سیلیکون با اتلاف‌ کم» پیشرفت چشمگیری کرده‌اند و به‌نوعی بسیاری از فناوری‌های نوظهور و علوم بنیادی مانند حسگرهای لایدار و مخابرات و محاسبات کوانتومی هدایت می‌کنند. اکنون ثابت شده است که آن‌ها عنصری جدید برای دست‌کاری پرتوهای الکترونی هستند. روپرز دراین‌باره می‌گوید:

میکروسکوپ الکترونی عبوری با فوتونیک این قابلیت را دارد که به‌طور منحصربه‌فرد تصویربرداری مقیاس اتمی را با طیف‌سنجی منسجم تسهیل کند. برای آینده، انتظار داریم که این درک و کنترل بی‌سابقه‌ای از تحریک‌های نوری میکروسکوپی به‌ارمغان آورد.

گفته می‌شود محققان قصد دارند همکاری خود را برای اشکال جدید اپتیک کوانتومی و اندازه‌شناسی آتوثانیه برای الکترون‌های آزاد گسترش دهند. به‌هرحال، به‌نظر می‌رسد که یافته‌ی جدید محققان آینده‌ی درخشانی را برای بسیاری از صنایع، به‌ویژه رایانش کوانتومی نوید می‌دهد.