الباحثون يستخدمون ليزر الأشعة فوق البنفسجية لتعديل عيوب الماس بشكل انتقائي لتعزيز تطبيقات التكنولوجيا الكمية

في باطن الماس، قد يكون ذرة في غير موضعها أو فراغ في الشبكة البلورية هو المفتاح لتحسين التكنولوجيا الكمية. ومع ذلك، ظل تعديل مثل هذه العيوب دون إزعاج عيوب أخرى، مع الحفاظ على قابلية المادة للاستخدام العملي، تحدياً كبيراً. الآن، في دراسة جديدة، استخدم باحثون نبضات ليزر فوق بنفسجية على مقياس النانوثانية لتعديل الخصائص البصرية للماس، مع الحفاظ على مراكز النيتروجين-الفراغ (NV) الموجودة فيه دون تغيير جوهري. يوفر هذا الاكتشاف نهجاً أكثر انتقائية لهندسة عيوب الماس. وقال الباحثون: "تثبت دراستنا أن نبضات الليزر على مقياس النانوثانية يمكنها تحقيق هندسة انتقائية للعيوب النقطية في الماس، مع إمكانات للتحكم الحتمي في مراكز الألوان في الماس لتطبيقات الكم".

يتكون الماس من ذرات كربون مرتبة في شبكة بلورية. عندما تتحرك الذرات عن مواضعها، أو تكون مفقودة، أو تستبدل بعناصر أخرى، تنشأ عيوب تمنح المادة خصائص بصرية وإلكترونية جديدة. أحد الأمثلة هو مركز النيتروجين-الفراغ، الذي يتشكل عندما تستبدل ذرة نيتروجين ذرة كربون مجاورة لفراغ في الشبكة. يمكن لمراكز NV أن تعمل كبتات كمية، أو ما يُعرف بـ qubit، وتستخدم كمستشعرات عالية الحساسية للمجالات المغناطيسية والكهربائية. ومع ذلك، قد يؤثر تعديل نوع واحد من العيوب على عيوب أخرى قريبة، مما يجعل تخصيص الماس لتطبيقات محددة أمراً صعباً.

منهجية البحث وتصميم التجربة

لدراسة ما إذا كان الضوء يمكن أن يوفر تحكمًا أكبر، قام الباحثون بتعريض ماسة أحادية البلورة نمت بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) للإشعاع.

استخدموا نبضات ليزر فوق بنفسجية بطول موجي 266 نانومتر، مدة كل نبضة ست نانوثوانٍ، لإشعاع مناطق موضعية من البلورة. تراوحت كثافة طاقة الليزر — الطاقة المسلمة لكل وحدة مساحة — من 2.2 إلى 8.6 جول لكل سنتيمتر مربع. قبل التعريض، قام الفريق بتوصيف الماس باستخدام طيف التألق الضوئي بالمجهر konfokal، وطيف الامتصاص فوق البنفسجي-المرئي، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه. ساعدت هذه التقنيات في تحديد العيوب البصرية الأولية للبلورة، وشفافيتها، ومحتواها من الشوائب. كانت المادة الأولية تحتوي على نيتروجين بديل ضئيل جداً، وهو ما يمثل ذرات نيتروجين تستبدل ذرات كربون في الشبكة.

كان إنشاء هذا الخط الأساسي أمراً حاسماً: بدونه، لم يكن الباحثون قادرين على التمييز بثقة بين العيوب المرتبطة بمعالجة الليزر وتلك الموجودة مسبقاً في الماس.

رصد إشارات التألق الضوئي

بعد التعريض، رصد الباحثون إشارة تألق ضوئي عند 563 نانومتر لم تكن موجودة سابقاً في المناطق المعرضة. ظهر إشارة انبعاث ثانية بالقرب من 579 نانومتر. ربطت أبحاث سابقة هذه الانبعاثات بعيوب الكربونات البينية الذاتية، حيث تشغل ذرات كربون مواقع خارج مواضعها الطبيعية في الشبكة. ومع ذلك، فإن الملاحظة الأهم هي ما لم يتغير. ظلت المراكز NV الموجودة في الماس، وإشاراتها البصرية، دون تغيير يذكر بعد معالجة الليزر مقارنة بالمناطق غير المعالجة. وقال مؤلفو الدراسة: "أظهرنا أن نبضات الليزر على مقياس النانوثانية يمكنها هندسة مركز 563 نانومتر بشكل انتقائي، أي العيب المرتبط بالذرات البينية، دون التأثير على مراكز النيتروجين-الفراغ (NV) الخلفية".

هذا يشير إلى أن الليزر قادر على تعديل مجموعة فرعية من العيوب في ظل الظروف المختبرة، دون إزعاج كبير لمجموعة أخرى.

هذا التمييز بالغ الأهمية، لأن مركزي 563 نانومتر و579 نانومتر لم يُرسيا بعد كبتات كمية (qubit) حديثة الإثبات. بدلاً من ذلك، تشير التجربة إلى طريقة محتملة لهندسة عيوب محددة مع الحفاظ على المراكز الموجودة المرتبطة بأجهزة استشعار الكم في الماس. اكتشف الباحثون أيضاً أن إشارة الانبعاث عند 563 نانومتر لا تزداد بلا حدود مع التعريض المستمر. قد تنخفض إشارتها بعد الوصول إلى قيمة قصوى، مما يشير إلى أن التعريض يمكن أن يولد ويحول تكوينات العيوب في آن واحد. أظهرت شدة الانبعاع علاقة شبه خطية مع كثافة طاقة الليزر، مع أس قانون قوة مقيس قدره 1.10 ± 0.16.

هذا يتوافق مع عملية تحفيز أحادي الفوتون، وليس عملية تتطلب عمل عدة فوتونات معاً.

الآليات على المستوى الذري غير المحلولة

الآليات الذرية المحددة التي تحدث داخل الماس لم تُحل بعد. يقترح الباحثون أن فوتونات الأشعة فوق البنفسجية قد تحفز حالات إلكترونية مرتبطة بالعيوب، وقد يؤدي نقل الطاقة اللاحق إلى إعادة ترتيب ذرات كربون قريبة. قد تلعب عمليات تتضمن حاملات شحنة محاصرة أو إكسيتونات (excitons) دوراً أيضاً، لكن التجربة لم تحدد المسار الكامل أو تحدد البنية الذرية الدقيقة المسؤولة عن الانبعاثين. قد يفيد التحكم المزعوم في الخصائص البصرية للماس في النهاية استشعار الكم والأجهزة الأخرى التي تعتمد على عيوب مختارة بعناية. ومع ذلك، لم تُظهر الدراسة جهازاً كمياً قابلاً للتشغيل أو تثبت إمكانية إنشاء عيوب محددة عند الطلب بطريقة قابلة للتكرار بالكامل.

الخطوة التالية هي تحديد كيفية تحول العيوب بالضبط، وكيفية التحكم في هذه التحولات بشكل متسق من خلال ضبط ظروف الليزر. إذا تمكن الباحثون من ربط معلمات التعريض بتغيرات ذرية يمكن التنبؤ بها، فقد يصبح من الممكن في النهاية تصميم ماس بملامح عيوب مصممة خصيصاً، بدلاً من التعامل مع عيوبه كمزيج لا يتجزأ. نُشرت الدراسة في مجلة "Diamond and Related Materials".

البند	المواصفات
طول موجة الليزر	266 نانومتر
مدة النبضة	6 نانوثوانٍ
نطاق كثافة الطاقة	2.2 إلى 8.6 جول لكل سنتيمتر مربع

التأثير المحتمل لليزر فوق البنفسجي على التكنولوجيا الكمية

تظهر الدراسة أن استخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يغير عيوباً محددة في الماس بشكل انتقائي دون إزعاج عيوب مهمة أخرى، وهذا أمر بالغ الأهمية لتطوير التكنولوجيا الكمية. تلعب مراكز النيتروجين-الفراغ (NV) في الماس دوراً مهماً في الحوسبة الكمية وأجهزة الاستشعار، لذا فإن القدرة على التحكم الدقيق في هذه العيوب ستساعد في تحسين أداء الأجهزة الكمية. وعلى الرغم من عدم تحقيق جهاز كمي قابل للتشغيل حتى الآن، إلا أن هذا البحث يوفر أفكاراً وإمكانيات جديدة لتطبيقات الكم المستقبلية، خاصة في تصميم الماس بملامح عيوب محددة.