تتمتع بعض المواد بخصائص مرغوبة مخفية، ومثل إضاءة مصباح يدوي في الظلام، يمكن للعلماء استخدام الضوء للكشف عن هذه الخصائص. طور الباحثون تقنية بصرية متقدمة تستخدم الضوء للكشف عن الخصائص الخفية للمادة الكمومية Ta2NiSe5 (TNS). باستخدام التحليل الطيفي للمجال الزمني لتيراهيرتز، لاحظ الفريق تضخيمًا غير عادي لضوء تيراهيرتز، مما يشير إلى وجود مكثفات الإكسيتون. يفتح هذا الاكتشاف إمكانيات جديدة لاستخدام المواد الكمومية لمصادر الضوء المتشابكة وغيرها من التطبيقات في فيزياء الكم.
استخدم باحثون من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو تقنية بصرية متقدمة لمعرفة المزيد عن مادة كمومية تسمى Ta2NiSe5 (TNS). ونشرت نتائج أبحاثهم في مجلة مواد الطبيعة.
يمكن أن تتأثر المواد بمحفزات خارجية مختلفة، وعادة ما تكون التغيرات في درجة الحرارة أو الضغط؛ ومع ذلك، بما أن الضوء هو أسرع شيء في الكون، فإن المواد تستجيب بسرعة كبيرة لمحفزات الضوء، وتكشف عن خصائص مخفية.
التقنيات البصرية المتقدمة في المواد الكمومية
وقال ريتشارد أفيت، أستاذ الفيزياء الذي قاد الدراسة وأحد مؤلفي الورقة البحثية: "في الأساس، نسلط الليزر على مادة، وهو ما يشبه التصوير الفوتوغرافي المتوقف، ويمكننا تتبع خاصية معينة للمادة خطوة بخطوة". "من خلال مراقبة كيفية تحرك الجسيمات المكونة لهذا النظام، يمكننا تحديد هذه الخصائص التي قد يكون من الصعب اكتشافها."
أجرى التجربة المؤلف الأول الشيخ رباعيات الحق، الذي تخرج من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو في عام 2023 وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد. وقام بالتعاون مع يوان تشانج، وهو طالب دراسات عليا آخر في مختبر إيفريت، بتحسين تقنية تسمى التحليل الطيفي للنطاق الزمني تيراهيرتز. تسمح هذه التقنية للعلماء بقياس خصائص المواد ضمن نطاق ترددي معين، وتسمح لهم تحسينات هاك بالوصول إلى نطاق ترددي أوسع.
الحالات الكمومية وتضخيم الضوء
ويستند هذا العمل على نظرية اقترحها مؤلف آخر للورقة، البروفيسور يوجين ديملر من ETH زيورخ. اقترح ديملر وطالب الدراسات العليا ماريوس مايكل فكرة أنه عندما يتم إثارة بعض المواد الكمومية بالضوء، فإنها قد تصبح وسطًا يضخم الضوء بترددات تيراهيرتز. دفع هذا هاك وزملائه إلى إلقاء نظرة فاحصة على الخصائص البصرية للـ TNS.
عندما يتم إثارة الإلكترون إلى مستوى أعلى بواسطة الفوتون، يتم ترك فجوة في الخلف. إذا اجتمعت الإلكترونات والثقوب، يتم إنتاج الإكسيتونات. قد تشكل الإكسيتونات أيضًا متكثفات، وهي حالة تحدث عندما تتجمع الجسيمات معًا وتتصرف ككيان واحد.
بدعم من نظرية ديملر وباستخدام الحسابات الوظيفية للكثافة من قبل مجموعة أنجل روبيو في معهد ماكس بلانك لبنية وديناميكية المادة، تمكن فريق البحث من ملاحظة ظاهرة تضخيم ضوء تيراهيرتز الشاذة، وبالتالي الكشف عن بعض الخصائص الخفية لحالة إكسيتون TNS المكثفة.
المكثفات هي حالات كمومية محددة جيدًا، ويمكن طبع بعض خصائصها الكمومية على الضوء باستخدام هذه التقنية الطيفية. يمكن أن يكون لهذا آثار على المجال الناشئ لمصادر الضوء المتشابكة (مصادر الضوء المتعددة ذات الخصائص المترابطة) التي تستغل المواد الكمومية.
وقال هاك: "أعتقد أن هذا مجال واسع". "يمكن تطبيق نظرية ديملر على مجموعة من المواد الأخرى ذات الخصائص البصرية غير الخطية. ومع هذه التكنولوجيا، يمكننا اكتشاف ظواهر جديدة ناجمة عن الضوء لم يتم استكشافها من قبل."
المصدر المجمع: ScitechDaily