تبشر البصمة الضوئية بالليزر بتحديد العيوب الذرية لنتريد البورون وفحص المواد للأجهزة الكمومية

الملخص:

استخدم فريق من جامعة بوفالو حسابات المبادئ الأولى للتنبؤ بنوع "البصمات" الضوئية التي ستنتجها العيوب الذرية المختلفة في نيتريد البورون السداسي عند مواجهة ضوء الليزر. وحللت الدراسة عشرة أنواع من العيوب، بما في ذلك شواغر ذرة البورون أو النيتروجين، وهياكل العيوب التي تشكلها ذرات الكربون التي تحل محل مواقع البورون والنيتروجين، ووجدت أنها ستغير خصائص كثافة واستقطاب الإشارة الضوئية التي تولدها المادة.

إن نتريد البورون السداسي هو مادة ثنائية الأبعاد جذبت الانتباه، وتتكون من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في بنية قرص العسل. تظهر الأبحاث أن العيوب لها تأثير ضئيل على الاستجابة البصرية الخطية العادية للمادة، ولكنها يمكن أن تعزز بشكل كبير التأثير البصري غير الخطي: يمكن لبعض الهياكل أن تسمح لليزر الساقط بتوليد الضوء بتردد مرتين أو ثلاثة أضعاف. من بينها، يمكن تعزيز الإشارة التوافقية الثانية لمجمع عيوب ذرة الكربون بعدة أوامر من حيث الحجم، وتتغير الإشارة مع اتجاه الاستقطاب.

من المتوقع أن تساعد هذه الاختلافات الباحثين في معرفة الذرات التي تحتوي عليها العيوب وكيفية ترتيبها. حتى لو كان الخلل يتكون من نفس النوع وعدد الذرات، فإن طيف الاستقطاب الناتج قد يكون مختلفًا طالما أن الشكل الهندسي مختلف. على سبيل المثال، من بين ترتيبين رباعيي الكربون تمت محاكاتهما بواسطة الدراسة، كان من المتوقع أن ينتج أحدهما إشارة قوية في كلا اتجاهي الاستقطاب، بينما تم تعزيز الآخر بشكل كبير في اتجاه واحد فقط. وقام فريق البحث أيضًا بقياس عينات من نيتريد البورون المشبع بالكربون، ودعمت النتائج التجريبية نوعيًا الاتجاهات التي تنبأت بها الحسابات؛ ومع ذلك، لم يُظهر هذا العمل حتى الآن جهاز كشف ناضج يمكنه تحديد العيوب الذرية الواحدة تلو الأخرى.

يمكن لبعض عيوب نيتريد البورون السداسية أن تنبعث منها فوتونًا واحدًا في كل مرة، ومن المتوقع استخدامها في الاتصالات الكمومية والاستشعار عالي الحساسية. ويأمل الباحثون في استخدام هذه الخصائص البصرية لحجب العيوب المناسبة لتوليد الضوء الكمي والتحكم بشكل أكبر في موقعها في المادة، مما يؤدي في النهاية إلى إنشاء مجموعة مكونة من مصادر ضوء كمومية متعددة مرتبة بدقة. تم نشر الأبحاث ذات الصلة في Nano Letters. حاليًا، يوفر أساسًا نظريًا لتحديد العيوب وتصميمها. لا تزال الأجهزة الكمومية العملية تتطلب التحقق اللاحق والتطوير الهندسي.