فیزیک‌دانانی از ایالات متحده موفق شده‌اند تک‌فوتون‌ها را به حالت‌‌های لبه‌ا‌یِ توپولوژیکی گسیل کنند. این پژوهش ارتباط مستقیمی مابین اپتیک کوانتومی و فوتونیک توپولوژیکی فراهم کرده و می‌تواند در گستره‌ی وسیعی از کاربردها، شامل ارتباطات و محاسبات کوانتومی حائز اهمیت باشد.

عایق‌های توپولوژیکی موادی هستند که در توده‌ی ماده عایق‌اند اما الکترون‌ها در لبه‌ی چنان موادی قادرند بدون پراکندگی در یک جهت که به جهت اسپین‌شان مربوط است، حرکت کنند. رفتارهای توپولوژیکیِ مشابهی نیز در انواع مختلفی از دیگر سیستم‌ها همچون ارتعاشات مکانیکی و نور دیده شده است. امکان حرکت بدون پراکندگیِ تک‌فوتون‌ها علاقه‌ی ویژه‌ای را در کاربردهای فرآیند اطلاعات کوانتومی به خود جلب کرده است. محمد حافظی، کوانتوم اپتیک‌دان از موسسه‌ی کوانتومی در دانشگاه مریلند در کالج پارک توضیح می‌دهد که اگرچه فوتونیک توپولوژیکی یک پدیده‌ی ذاتاً کوانتومی است اما تابحال تنها با نور کلاسیکی نشان داده شده است.

تقارن لانه‌زنبوری

اکنون پژوهش‌گرانی از مریلند به رهبری حافظی و ادو واکس (Edo Waks) ساختار نامتجانسی شامل دو نانوساختار اپتیکی متناوب مجاورهم را تشکیل داده‌اند که بلور فوتونی نامیده می‌شود که هر کدام از آن‌ها شامل شبکه‌های لانه‌زنبوری گالیوم آرسناید است. یک شبکه‌ی کاملاً متناوب، فوتون‌هایی را با هر فرکانسی منتقل می‌کند، به گفته‌ی حافظی: « اساساً می‌توانید مثل گرافن به آن نگاه کنید». هر سیستمی که این تقارن لانه‌زنبوری را داشته باشد مخروط دیراک را نیز داراست و هیچ گاف نواری ندارد. با این حال برهم زدن ساختار نواری یک گاف نواری اپتیکی ایجاد خواهد کرد. در ساختار این پژوهش‌گران، فوتون‌ها در طول‌موج حدود ۹۵۰ نانومتر منتشر نمی‌شوند.

این پژوهش‌گران در یک بلور فوتونی، حفره‌های مثلثیِ هر شش‌گوش را به طرف مرکز شش‌گوش جابجا کرده‌اند. در یک بلور دیگر، آن‌ها این حفره‌ها را بیشتر جابجا کرده‌اند. دو گاف نواری اپتیکی ایجاد شده با این اعوجاجات چنان است که نوار انرژی در بالای گاف انرژی در بلور فوتونی اول می‌نشیند و در دومی در زیر گاف انرژی و برعکس. در لبه، که دو بلور هم‌دیگر را ملاقات می‌کنند نوارها هم‌دیگر را لمس کرده و درهم فرو می‌روند. این پدیده باعث می‌شود تا حالت لبه‌ای ایجاد شود که انرژی آن در وسط گاف نواری هر کدام از بلورها قرار دارد. بنابراین فوتون‌هایی با این انرژی می‌توانند بین دو بلور فوتونی حرکت کنند اما هرگز در حجم بلورها پراکنده نمی‌شوند. ملاحظات تقارنی نشان می‌دهد که فوتون‌هایی با یک قطبش دایروی در یک جهت حرکت می‌کنند در حالی‌که فوتون‌هایی با قطبش دایروی معکوس در خلاف جهت حرکت می‌کنند.

نقاط کوانتومی جاسازی‌شده

این محققان نقاط کوانتومی ایندیوم-آرسناید را در درون این ساختار نامتجانس جاسازی کرده‌اند. آن‌ها ابتدا از یک لیزر با توان نسبتاً بالا استفاده کرده‌اند تا نقاط کوانتومی را برای گسیل نور با پهنای زیاد تحریک کنند. وقتی نور لیزر را بر یک طرف لبه متمرکز شده‌ است، مشاهده کرده‌اند که نور در گاف نواری حجمی در خط مستقیم و بدون پراکندگی طی مسیر می‌کند درحالی‌که نور در فرکانس‌های دیگر به داخل حجم پراکنده می‌شود.

آن‌ها در آزمایش دومِ خود، توان لیزر خود را تا ۱۰ نانووات کاهش داده و نور آن را بر روی تک‌تک نقاط کوانتومی متمرکز کرده‌اند تا فوتون‌ها را برای گسیل یک فوتون در هر لحظه تحریک کنند. برای آن‌که فوتون‌هایی با قطبش معکوس در جهت معکوس حرکت داشته باشند، یک میدان مغناطیسی خارجی برای جداسازی انرژی‌های دو حالت قطبیده اعمال کرده‌‌اند. این محققان دریافته‌اند که (همچنانکه انتظار می‌رفت) فوتون‌هایی که در یک لبه‌ی انتهایی، آشکارسازی می‌شوند انرژی بیشتری نسبت به فوتون‌هایی دارند که در انتهای دیگر آشکارسازی شده‌اند. نهایتاً این پژوهش‌گران یک انحنای ۶۰ درجه‌ای را در لبه ایجاد کرده‌اند: فوتون‌ها در حالت لبه‌ای این مسیر را بدون بازتابش یا پراکندگی به داخل حجم دنبال می‌کنند. به گفته‌ی حافظی: «در اصل اکنون فوتون‌ها قویاً باهم دیگر اندرکنش می‌کنند. بنابراین تمام این ایده‌های فیزیک بس‌ذره‌ای و فرآیند اطلاعات کوانتومی را می‌توان در زمینه‌ی فوتونیک توپولوژیکی بررسی کرد».

به بیان پیتر لداهل (Peter Lodahl) از موسسه‌ی نیلز بوهر دانشگاه کپنهاگن در دانمارک: «این قطعاً بسیار هیجان‌انگیز است و یک گام اساسی تجربی به سمت اثبات پدیده‌ی توپولوژیکی صحیح در رژیم کوانتومی است». گروه وی برای اولین بار نشان داده‌اند که جهت فوتون‌‌ها از تک‌گسیلنده‌های کوانتومی در موجبرها می‌تواند به اسپین آن‌ها بستگی داشته باشد. خیلی زود است که بتوان گفت تا چه حد این کار مزایای عملی خواهد داشت. وی می‌افزاید: «اما چیز بسیار هیجان‌انگیزی است تا بیشتر مورد جستجو قرار گیرد».

گام بزرگ رو به جلو

به گفته‌ی آلبرتو آمو ( Alberto Amo) از دانشگاه لیل: «این کار گام روبه جلویی در جاسازی ویژگی‌های اپتیکی جدید در مواد است. گام بعدی آن است که بتوان با این ایده‌های اپتیک کوانتومی در مدارهای حفاظت توپولوژیکی جلو رفت و دو یا چند گسیلنده‌ی تک‌فوتونی را چنان بهم متصل کرد تا باهم اندرکنش داشته باشند. وقتی چنان چیزهایی را در دسترس داشته باشید، قادر هستید گیت‌های کوانتومی و دیگر پرتوکل‌های اپتیک کوانتومی را پیاده‌سازی کنید».

این پژوهش در مجله ساینس انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان نویسنده‌ی علمی در انگلستان است.

منبع:

Topological light makes a quantum connection