امیر خُلَم -۲۱ نوامبر ۲۰۲۵، تصویر فراسطح روی ماده‌ی دوبعدی -مهندسی کلمبیا
محققان مهندسی کلمبیا گام دیگری به سوی کوچک کردن سخت‌افزار کوانتومی برداشته‌اند.این تیم یک دستگاه فراسطح فوق نازک ساخته است که اثرات نوری غیرخطی را در مقیاس نانو افزایش می‌دهد.این پیشرفت بر اساس کاری است که اوایل امسال منتشر شد، زمانی که این گروه نشان داد که یک دستگاه کریستالی با ضخامت تنها ۳.۴ میکرومتر می‌تواند جفت‌های فوتون درهم‌تنیده تولید کند.
مطالعه‌ی جدید نشان می‌دهد که چگونه این تیم این مقیاس را به تنها ۱۶۰ نانومتر کاهش داده است.
آنها با معرفی فراسطح‌ها به این هدف دست یافتند. این ساختارها برای آشکار کردن رفتارهای نوری که در طبیعت یافت نمی‌شوند، به الگوهای مصنوعی حک شده در کریستال‌های فوق نازک متکی هستند.
کیارا ترواتلو، نویسنده مسئول، گفت که این گروه رویکردی قابل اعتماد برای مهندسی این مواد پیدا کرده‌اند.
او گفت: “ما یک دستورالعمل موفق برای الگودهی کریستال‌های فوق نازک در مقیاس نانو ایجاد کرده‌ایم تا ضمن حفظ ضخامت زیر طول موج آنها، غیرخطی بودن را افزایش دهیم.” ترواتلو اکنون استادیار دانشگاه پلی‌تکنیک میلان است.
آزمایشگاه شاک با دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه کار می‌کند. این کریستال‌ها را می‌توان به لایه‌هایی به ضخامت تنها یک اتم تبدیل کرد.محققان آنها را روی هم قرار می‌دهند تا خواص نوری مناسب برای سیستم‌های کوانتومی ایجاد کنند. اما لایه‌ها برای تولید فوتون‌های کارآمد بسیار نازک باقی ماندند. این امر مفید بودن این ماده را محدود می‌کرد.
ترواتلو گفت که سخت‌افزار کوانتومی به اجزای فشرده نیاز دارد. او خاطرنشان کرد که منابع کیوبیت فعلی چندین سانتی‌متر را اشغال می‌کنند و به اتاق‌های تجهیزات بزرگی نیاز دارند.
او گفت: “برای مقیاس‌پذیر کردن فناوری‌های کوانتومی، باید اندازه منابع کیوبیت خود را کوچک کنیم.” متاسطح‌ها خروجی فوتون را افزایش می‌دهند.
اوایل امسال، این گروه با چیدن لایه‌های دی‌سولفید مولیبدن در جهت‌های متناوب، از قطبش دوره‌ای برای تولید فوتون استفاده کردند. این ترازبندی، تطابق فاز مناسب را تضمین می‌کرد.
کار جدید مسیر متفاوتی را در پیش می‌گیرد. دانشجوی دکترا، ژی هائو پنگ، خطوط نانومقیاس تکرارشونده را روی یک پوسته دی‌سولفید مولیبدن حکاکی کرد. این الگو اثرات غیرخطی قوی‌ای فراتر از آنچه تنظیم سنتی می‌توانست به دست آورد، ایجاد کرد.
پنگ گفت: «طراحی ما اثرات غیرخطی را بسیار بیشتر از تکنیک‌های بهینه‌سازی نوری خطی سنتی افزایش می‌دهد و بنابراین به افزایش قوی‌ای دست می‌یابد که قبلاً امکان‌پذیر نبود.»
متاپراستول تولید هارمونیک دوم را تقریباً ۱۵۰ برابر نسبت به نمونه‌های بدون الگو افزایش داد. در این فرآیند، دو فوتون با فرکانس دو برابر در یک فوتون ادغام می‌شوند.این تیم اکنون قصد دارد تبدیل را معکوس کند و یک فوتون را به دو فوتون درهم‌تنیده تقسیم کند.روش پنگ همچنین پیچیدگی ساخت را کاهش می‌دهد. جیم شاک، محقق ارشد، این مزیت را برجسته کرد.
او گفت: «کریستال‌های غیرخطی کلید بسیاری از فناوری‌های فوتونیک بوده‌اند، اما این مواد می‌توانند شکننده باشند و شکل‌دهی و ساخت آنها به طرز چشمگیری دشوار بوده است.»
او افزود که پنگ رویکرد ساده‌ای ایجاد کرده است که با ابزارهای استاندارد اتاق تمیز کار می‌کند.
به سوی سیستم‌های کوانتومی روی تراشه
همکاران نظری به شناسایی بهترین الگو برای پاسخ‌های غیرخطی بزرگ کمک کردند. میشل کورتوفو گفت که این ساختار برای دستیابی به «رفتار غیربدیهی» در پوسته‌هایی به این نازکی، به پهنای خطوط متناوب متکی است.
آندریا آلو خاطرنشان کرد که این کار نشان می‌دهد که چگونه غیرمحلی‌های مهندسی‌شده در متاسطوح می‌توانند «پلتفرم‌های فشرده و قابل ادغام» را برای اپتیک غیرخطی فعال کنند.این دستگاه در طول موج‌های مخابراتی کار می‌کند که ادغام آینده را آسان‌تر می‌کند. شاک گفت که این ردپا به سمت فوتونیک کوانتومی کاملاً روی تراشه اشاره دارد.
این مطالعه در مجله Nature Photonics منتشر شده است.
