ساخت نخستین متامتریال کوانتومی توسط دانشمندان آلمانی

متامتریال (Metamaterial) به ماده‌ای گفته می‌شود که دارای خواص نامتعارف الکترومغناطیس در ساختار درونی خود است. نکته‌ی قابل توجه در این مواد خاصیت ضریب شکست منفی نور در آنها است، به این معنا که این مواد نور را در جهت مخالف مواد عادی شکسته و منحرف می‌کنند.

دانشمندان علم مواد در آلمان، برای نخستین بار موفق به ساخت متامتریال کوانتومی شدند. تولید این ماده‌ی جدید سوالات بسیاری را بر انگیخته است با این حال این ماده کاربردهای قابل توجهی در حوزه‌ی آشکارسازی فوتون‌ها و phase switching دارد و البته نویدبخش پیشرفت تحقیقات در حوزه‌ی فیزیک کوانتوم نیز خواهد بود.

متامتریال‌ها ذاتا دارای مشخصاتی فراطبیعی هستند و تقریبا تمامی آن‌ها یک ویژگی مشترک دارند و آن خاصیت انکسار (شکست) منفی نور است. «انکسار منفی» به این معنی است که این مواد نور را در جهت مخالف آنچه که انتظار دارید منحرف می‌کنند (همانند تصویری که در بالا ملاحظه می‌کنید). این ویژگی متامتریال‌ها باعث خلق ابداعات خارق‌العاده‌ای نظیر «لباس‌های نامرئی‌کننده» گردیده است. در عمل، دانشمندان برای ایجاد اثر انکسار منفی از «مرتعش‌کننده‌های حلقه‌ی شکاف‌دار» استفاده می‌کنند (تصویر پایین). این ساختار از دو قطعه فلز غیر مغناطیسی C شکل و هم مرکز  بهره می‌گیرد.

تشریح عملکرد دقیق این ساختار از اهداف این مقاله خارج است، اما به صورت کلی می‌توان گفت که شکل حلقه‌ها و محل قرارگیری شکاف‌ها، بر فرکانس  مرتعش‌کننده (نور مرئی، اشعه‌ی مادون قرمز،امواج مایکروویو،..) تاثیر گذاشته و  در نتیجه موجب انحراف اشعه‌ای که به این ساختار برخورد می‌کند، خواهد شد. مشکل اصلی متامتریال‌های مبتنی بر این ساختار، فرکانس کاری پایین آن‌هاست که همین امر ساخت لباس‌های نامرئی‌کننده را که بیشتر در موج‌های فرکانس‌ بالایی مثل نور مرئی کاربرد دارند، با چالش مواجه ساخته است.

محققان آلمانی با قرار دادن ۲۰ کوبیت (بیت کوانتومی) آلومینیوم در ارتعاش‌دهنده‌ی مایکرویوی توانستند مقدار بسیار اندکی ماده‌ی متامتریال کوانتومی تولید کنند (تصویر پایین).

با تابش امواج مایکرویو با یک فرکانس مشخص بر روی متامتریال کوانتومی، فوتون‌های تشکیل دهنده‌ی موج مایکروویو در مرتعش‌کننده برانگیخته می‌شوند. بعد از در هم کنش فوتون‌ها با ۲۰ کوبیت آلومینیم، در نهایت این فوتون‌ها با تغییر وضعیت از مرتعش‌کننده خارج می‌شوند که این تغییر حالت در قالب انحراف اشعه قابل مشاهده خواهد بود.

محققان با بررسی تغییر حالت فوتون‌ها به نتیجه‌ی جالب توجهی رسیدند:

هشت کوبیت‌ به منظور اثرگذاری بر روی فوتون‌ها به هم جفت شدند و در حین انجام فرایند،  این گروه ۸ تایی به گروه‌هایی ۴ تایی تفکیک شدند. ما هنوز در مورد علت بروز این پدیده مطمئن نیستیم و کشف آن عمده‌ترین هدف تحقیقات آینده خواهد بود.

منبع : extremetech

 

The first quantum metamaterial raises more questions than it answers

German material scientists have created the world’s first quantum metamaterial. This new material raises more questions than it answers, but it could have significant applications in the realms of single microwave photon detection and phase switching, and as a vehicle for further investigation of the very principles of quantum physics.

A metamaterial, as we covered at length in our feature about wonder materials, is essentially a material that has properties not usually found in nature. In almost all cases, though, when we discuss metamaterials, we’re talking about materials that have a negative refractive index — that bend light in the opposite way to what you’d expect (as per the image at the top of this story). This property of metamaterials allows us to do weird things, such as create invisibility cloaks.
In practice, scientists produce this negative refraction effect with split-ring resonators — basically, two concentric C-shaped pieces of non-magnetic metal (pictured right). The exact method of their operation is beyond the scope of this story, but in essence the shape of the rings, and the location of the gap, affects the frequency that the resonator is tuned to (microwaves, infrared, etc.), and also the refraction of the radiation that hits it. Historically, the main problem with metamaterials based on split-ring resonators is that they only really be tuned to a small range of frequencies, making it hard to create an invisibility cloak that operates across a useful slice of spectrum.

Now, researchers at the Karlsruhe Institute of Technology in Germany have embedded 20 aluminium qubits inside a microwave resonator, creating a very small piece of quantum metamaterial (pictured below). Basically, when microwaves of a certain frequency hit the quantum metamaterial, the photons (which make up the microwaves) bounce around inside the resonator and interact with the 20 qubits, and then eventually leave resonator in a different phase. By measuring the phase change, the researchers came to an interesting conclusion: Up to eight of the qubits were coupling together to affect the photons, and then over time these groups of eight would disassociate into groups of four. We’re not sure why this is, and finding out the answer is prime target for future research.
Beyond the research possibilities, this quantum metamaterial might be used as a photon detector, for phase switching, and some fancy applications such as quantum birefringence and superradiant phase transitions.

 

پاسخ بدهید

وارد کردن نام و ایمیل اجباری است | در سایت ثبت نام کنید یا وارد شوید و بدون وارد کردن مشخصات نظر خود را ثبت کنید *

*