تشدیدکننده‌های حلقه‌ای، نور را در گوشه گیر می‌اندازند

یک تراشه سیلیکونی شیاردار جدید، نور را با استفاده از فیزیک چهار قطبی ها و توپولوژی در گوشه ها نگاه می دارد. اعتبار: ای ادواردز / JQI
 
محققان در مؤسسه کوانتومی مشترک (JQI) اولین تراشه سیلیکونی را ایجاد کرده اند که می تواند به طور قابل اعتمادی نور را به چهار گوشه‌ تراشه محدود کند. این اثر، که ناشی از تداخل مسیرهای نوری است، با نقص های کوچک در خلال ساخت تغییر نمی کند و در نهایت می تواند ایجاد منابع قوی از نور کوانتومی را مقدور سازد.
 
این استحکام به علت فیزیک توپولوژیکی است که خواص موادی را توضیح می دهد که به تغییرات کوچک در هندسه غیر حساس هستند. در گوشه گیر انداختن نور، که در مجله فوتونیک طبیعت گزارش شد، تحققی از یک اثر توپولوژیکی جدید است که برای اولین بار در سال 2017 پیش بینی شد.
 
به ویژه، کار جدید نمایشی از فیزیک توپولوژیکی چهار قطبی است. یک چهارقطبی ترتیبی از چهار قطب است – چاه ها و چشمه های میدان های نیرویی مثل بارهای الکتریکی یا قطب های یک آهنربا. شما می توانید یک چهارقطبی الکتریکی را با تصور کردن بارها در هر گوشه از یک مربع مجسم کنید که به صورت متناوب، همانطور که محیط را می پیمایید، مثبت – منفی – مثبت - منفی است.
 
این واقعیت که در گوشه گیر اندازی، ناشی از فیزیک چهارقطبی است نه فیزیک دوقطبی – یعنی ترتیبی از فقط دو قطب – این معنی را می دهد که دارای یک اثر توپولوژیک از مرتبه‌ی بالاتری است.
 
به گفته همکار JQI، محمد حافظی، که نویسنده ارشد این مقاله است، اگرچه اثر در گوشه گیر اندازی در سیستم های صوتی و مایکروویو پیش از این مشاهده شده است، کار جدید اولین باری است که این اثر در یک سیستم نوری دیده می شود. حافظی می گوید: "ما سیستم های فوتونیکی سیلیکونی یکپارچه را برای تحقق ایده های حاصل از توپولوژی در یک سیستم فیزیکی توسعه داده ایم." "این واقعیت که ما از مؤلفه های سازگار با فناوری فعلی استفاده می کنیم بدین معناست که اگر این سیستم ها قوی باشند، امکاناً می توانند بلافاصله به کاربرد های فوری برگردانده شوند."
 
در کار جدید، نور لیزر تزریق می شود به توری‌ای از تشدید کننده ها -  حلقه های شیاردار در سیلیکون که نور را به حلقه ها محدود می کنند. با قرار دادن تشدید کننده ها در فواصل دقیقاً اندازه گیری شده، این امکان وجود دارد که فعل و انفعال بین تشدید کننده های همسایه را تنظیم کرده و مسیری که نور از میان توری در پیش می گیرد را تغییر دهیم.
 
اثر تجمعی این است که نور در میان تراشه با خودش تداخل می کند، و باعث می شود که بیشترین قسمت نورِ تزریق شده به تراشه زمان خود را در چهار گوشه بگذراند.
 
نور باری الکتریکی ندارد، اما حضور یا عدم حضور نور در یک تشدید کننده‌ی مشخص، نوعی رفتار قطبی را فراهم می کند. به این ترتیب، الگوی تشدید کننده های روی تراشه مربوط است به مجموعه ای از چهار قطبی های فعل و انفعال کننده - که دقیقا شرایطی است که مورد نیاز پیش بینی اولیه حالت های توپولوژیکی مرتبه بالاتر ماده بوده است.
 
حافظ و همکارانش برای آزمایش الگویی که ساختند نور را به هر گوشه از تراشه تزریق کردند و سپس با یک میکروسکوپ تصویری از تراشه گرفتند. در نور جمع آوری شده، آنها شاهد چهار قله روشن، هر یک در گوشه ای از تراشه، بودند.
 
برای نشان دادن این که نورِ در گوشه گیر افتاده، توسط توپولوژی به دام افتاده است و نه صرفاً نتیجه‌ی جایی است که آنها لیزرها را تزریق کردند، آنها تراشه‌ای را آزمایش کردند که دو ردیف پایین تشدید کننده های آن شیفت کرده بود. این امر فعل و انفعال آنها را با تشدید کننده‌های بالا تغییر داد و، حداقل از لحاظ نظری، جایی که لکه های روشن باید ظاهر شوند را تغییر داد. نور در میان تراشه با خودش تداخل می کند، و باعث می شود که بیشترین قسمت نورِ تزریق شده به تراشه زمان خود را در چهار گوشه بگذراند. آنها دوباره نور را در گوشه ها تزریق کردند و این بار، درست همان طور که نظریه پیشگویی می کرد، دو لکه روشن پایینی در بالای ردیف های شیفت پیدا کرده تشدید کننده ها و نه در گوشه های فیزیکی ظاهر شدند.
 
علیرغم مواظبت از بروز تغییرات کوچک در جادهی تشدید کننده که توپولوژی آن را ایجاب می کند، یک عیب ساخت دوم مخربتر در این تراشه ها باقی می ماند. از آنجا که تشدید کننده ها دقیقاً یکسان نیستند، چهار نقطه نورانی در گوشه ها همه با فرکانس هایی اندکی متفاوت می درخشند. این بدان معنی است که در حال حاضر تراشه ممکن است بهتر از یک تشدید کننده منفرد نباشد، اگر به عنوان منبعی از فوتون ها– ذرات کوانتومی نور که بسیاری امید دارند آنها را به عنوان حاملین اطلاعات کوانتومی در دستگاه ها و شبکه های آینده مهار کنند - مورد استفاده قرار گیرد.
 
سانیل میتال، نویسنده راهبر این مقاله و یک محقق پسادکترا در JQI، می گوید: "اگر چشمه های زیادی داشته باشید که توسط توپولوژی مجبور به بیرون انداختن فوتون های یکسانی باشند، آنگاه شما می توانید آنها را با هم تداخل دهید و این باعث تغییر بازی خواهد شد." "من امیدوارم که این کار واقعا نظریه پردازان را برانگیزد که فکر کنند و شاید به دنبال مدل هایی بگردند که به این بی نظمی تأخیری در فرکانس های تشدید کننده غیر حساس باشند."
 

محققان حلقه های سیلیکونی را روی یک تراشه پیکربندی می کنند تا فوتون‌های با کیفیت بالا برای استفاده در پردازش اطلاعات کوانتومی منتشر کنند. اعتبار: E. Edwards/JQI
 
کوچکترین میزان نور که می توانید داشته باشید، یک فوتون است، که به قدری کم نور است که تقریبا برای انسان ها قابل رؤیت نیست. هرچند غیر قابل تشخیص‌اند، این نقاط ریزانرژی برای انتقال اطلاعات کوانتومی به اطراف مفید هستند. در حالت ایده آل، تمام این پیک های کوانتومی یکسان هستند، اما راه سرراستی برای تولید جریانی از فوتون های یکسان وجود ندارد. این به خصوص هنگامی که فوتون های منفرد از تراشه های ساخته شده می آیند چالش برانگیز است. در حال حاضر، محققان در مؤسسه کوانتومی مشترک (JQI) روش جدیدی را نشان داده اند که دستگاه های مختلف را قادر می سازد تا به طور مکرر فوتون های منفرد تقریباً یکسان ساطع کنند.
 
منبع: کریس سزار، گِنکینا، و ادواردز، مؤسسه کوانتومی مشترک