"يمكن العثور على السعادة حتى في الأوقات المظلمة ، إذا كنت لا تنسى أن تتحول إلى النور." قيلت هذه الكلمات من قبل شخصية خيالية بعيدة كل البعد عن العلم. ولكن في عالمنا ، غالبًا ما يلجأ العلماء إلى النور بحثًا عن سعادتهم الحقيقية - الاكتشافات الجديدة. وماذا يتكون الضوء إذا جاز التعبير؟ من الفوتونات. أصبح هذا الجسيم الأولي الأساس لكثير من الاكتشافات والتقنيات والبحوث. ولكن حتى يومنا هذا ، فإن خصائصه غير معروفة تمامًا لأي شخص. لكن هذا لا يمنع العلماء من الاستمرار في استخدام الفوتونات في أعمالهم ، العملية أو النظرية. اليوم سوف نتعرف على دراسة نظام الفوتون ، والذي سيسمح لك وفقًا للعلماء بالسيطرة الكاملة على طاقة الفوتونات وطورتها. لهذا ، من الضروري استخدام خصائص الأنظمة الذرية والجزيئية ، حيث يمكن التحكم في حالة الإلكترونات عن طريق مجال كهرومغناطيسي خارجي. كيف ولماذا ولماذا - نتعلم من تقرير الباحثين. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
إن العامل المهم في التحكم الكهروضوئي المتماسك لنظام الفوتون ذي المستويين هو مدة الفوتون ، والتي في جميع حالات الطاقة يجب أن تكون أطول بكثير مما هو مطلوب للانتقال البسيط للنظام من حالة إلى أخرى. من أجل تحقيق ذلك ، من الضروري استخدام طرق التحكم الكهربائية الضوئية. ومع ذلك ، هناك عدد من الصعوبات. يمكن للأنظمة الضوئية الكبيرة المزودة بمضخمات بصرية أن تحاكي نظامًا كلاسيكيًا من مستويين ، لكن التماسك الكمومي للفوتونات يتم تدميره ببساطة أثناء التشغيل. إذا كنت تستخدم منصات ضوئية مدمجة تقليدية ، فلا يمكنها توفير وجود لفوتون وتعديل سريع على المدى الطويل. لذلك ، فهي أيضًا ليست مناسبة لأغراض العلماء. لكن المرنانات التي تعتمد على ثاني أكسيد السيليكون (SiO
2 ) أو نيتريد السليكون (Si
3 N
4 ) يمكن التحكم فيها كهربائيًا بشكل حصري من خلال التأثير الحراري. يتم توفير التعديل الكهربائي البصري السريع من خلال المنصات الضوئية النشطة كهربائيًا القائمة على السيليكون والجرافين والبوليمرات المختلفة. هذه ميزة واضحة ، ولكن عمر الفوتون في هذه الأنظمة قصير للغاية عند مقارنته بالمنصات السلبية للكهرباء.
وكما يحدث غالبًا عندما لا يكون هناك عامل موجود وشيء فعال ، يقوم العلماء بإنشاء نسختهم الخاصة. في هذه الحالة ، هو نظام الفوتون ثنائي المستوى يمكن التحكم فيه بواسطة إشارات الميكروويف غيغا هرتز.
هذا النظام عبارة عن جهاز يحتوي على حلقتين دقيقتين من نيوبات الليثيوم (الصورة
ج ) ، أقطارهما 80 ميكرومتر. من المهم ملاحظة أن المسافة بين الحلقات صغيرة للغاية ، كما يمكن رؤيته في صورة مجهر المسح الإلكتروني (
أ ).
لقطات الجهازتوضح الصورة أعلاه
b المقطع العرضي لملف تعريف الوضع البصري في الرنان الدائري. لكن
d هي لقطة من مجموعة الأجهزة المذكورة أعلاه على شريحة واحدة.
الإعداد التجريبييتم ضخ الجهاز قيد الاختبار بصريًا بواسطة ليزر اتصالات قابل للضبط (الطول الموجي 1630 نانومتر). يدخل الضوء الذي يمر عبر مُعدِّل كهروضوئي (EO Mod) ووحدات التحكم في الاستقطاب (PLC) إلى الرقاقة من خلال ألياف العدسة. يتم إرسال الإشارة الضوئية الصادرة عبر الألياف إلى كاشف ضوئي 12 جيجا هرتز. بعد ذلك ، يتم إرسال الإشارة الكهربائية المحولة إلى مرسمة الذبذبات. يتم إنشاء إشارات التحكم في الميكروويف بواسطة AWG (مولد الموجي التعسفي) ، ثم يتم تضخيمها وإرسالها إلى الجهاز. للتحكم في التيار المباشر ، تم استخدام انحياز على شكل حرف T (التحيز T).
بفضل الفقد البصري المنخفض والتكامل المشترك لأقطاب الموجات الدقيقة ، تمكن العلماء من تحقيق عرض نطاق مثير للإعجاب للغاية> 30 غيغاهرتز ، وكفاءة التشكيل 0.5 غيغاهرتز / V وعمر الفوتون من 2 نانوثانية.
الصورة رقم 1يتم تنفيذ نظام الفوتون ثنائي المستوى بسبب زوج من الرنانات الضوئية الدقيقة المتطابقة والمترابطة (في الصورة
1 أ يكون هذا ω1 = ω2). تشكل هذه الرابطة جزيء فوتوني غريبًا مع مستويين للطاقة: الوضع المتماثل (S) والوضع غير المتماثل (AS). ويتفاعل حقل الميكروويف مع النظام من خلال
تأثير Pockels القوي
* .
تأثير Pockels * - ظهور انكسار مزدوج للضوء عند تعرضه لمجال كهربائي ثابت أو متناوب.
تأكيد مستويي الطاقة هو قياس الإرسال البصري (الرسم البياني
1 ج ).
يتم تقسيم الأوضاع البصرية نفسها على النحو التالي: 2μ = 2π × 7 جيجاهرتز. والخط الطيفي للمرنان لكل γ = 2π × 96 ميجاهرتز ، وهو ما يتوافق مع عامل الجودة Q = 1.9 × 10
6 . تؤكد هذه المؤشرات مرة أخرى استقرار النظام الفوتوني الذي تم الحصول عليه من مستويين.
الأداة الرئيسية لرصد النظام هي حقل ميكروويف متماسك مع موجة مستمرة. يشير العلماء إلى أن مثل هذا "الشكل" من التحكم يشبه الأنظمة الذرية ذات المستويين. ولكن هناك فرق مهم: في نظام الفوتون ، يمكن لكل مستوى من المستويات أن يملأ أكثر من فوتون واحد.
عندما يتزامن تردد الموجات الدقيقة مع فرق الطاقة للمستويين ، ينشأ اتصال ثابت بين الوضعين (S و AS) ، اللذين كانا منفصلين في البداية. هذا يؤدي إلى تقسيم مستويات الطاقة ، والتي تسمى أيضًا بتأثير Outler-Townes (الصورة
2 أ ).
الصورة رقم 2في النظام المختبر ، من الممكن التحكم في اتساع إشارات الميكروويف ، مما يسمح لك بضبط تردد التقسيم على مستوى عدة جيجا هرتز (
2 ب ). إذا كان تردد الميكروويف منزعجًا جدًا من تردد الانتقال ، يظهر تأثير تشتت ، مقارن بتأثير ستارك المتغير في الأنظمة الذرية (
2 ج ). يسمح لك هذا التأثير بالتحكم في درجة قوة الرابطة بين مستويات الطاقة للجزيء الضوئي المختبر.
الصورة رقم 3تظهر الصورتان العلويتان الديناميكيات الطيفية المتماسكة لجزيء الفوتون ، بشكل أدق ، قياسات تذبذبات رابي تحت تأثيرات ميكروويف مختلفة على النظام:
3 أ - البيانات التجريبية ، و
3 ب - البيانات النظرية. يظهر تحليل البيانات أن هناك سيطرة على نطاق واسع إلى حد ما من ترددات ربيع.
يوضح الشكل
3 ج تذبذب ربيع تحت تأثير الميكروويف من 1.1 فولت بتردد 1.1 جيجا هرتز ، وهو ما يتوافق مع المحور الحقيقي للكرات بلوخ. في المقابل ، يوضح الرسم البياني
ثلاثي الأبعاد الإشارات التضخمية في الكاشف الضوئي ، والتي هي نتيجة لتداخل رمزي.
والآن ننتقل إلى النهائي ، ولكن ليس الأبعاد الأقل أهمية.
في التجربة ، قرر العلماء استخدام تحويل تردد أحادي لأداء مهمة مهمة جدًا في أي عملية لمعالجة الإشارات الضوئية - تخزين واستخراج الفوتونات عند الطلب.
يلاحظ العلماء أن استخدام مرنان ثابت يمكن أن يبطئ عملية انتشار الفوتون ، ولكن مثل هذا التباطؤ محدود بترددات الرنان ، وبالتالي لا يمكن التحكم فيها.
لكن استخدام مرنان معدل ديناميكيًا ليس له مثل هذه المساوئ. من أجل السيطرة على تسجيل الفوتونات على الرنان وقراءة الفوتونات من الدليل الموجي الخارجي ، من الضروري تغيير قوة الاقتران البصري قبل انتهاء حياة الفوتون في الرنان.
الصورة رقم 4لتحقيق ذلك ، تم تطبيق انحياز تيار مستمر بجهد 15 فولت ، مما جعل من الممكن إعادة تكوين الجزيء الفوتوني إلى زوج من الأوضاع "المظلمة" و "الخفيفة". يقع الأزياء الخفيفة في الحلقة الأولى (
4 أ ). نظرًا لأنها لا تزال تتمتع بإمكانية الوصول إلى دليل الموجات الضوئية المدخلات ، فإنها تسمى الضوء البصري. يقع الوضع المظلم في الحلقة الثانية ولا يرتبط بالدليل الموجي ؛ لذلك ، يطلق عليه الظلام البصري. ومع ذلك ، يمكن الوصول إلى الوضع المظلم عن طريق تطبيق إشعاع الميكروويف بتردد يتزامن مع الفرق بين الوضعين البصريين. تؤدي هذه العملية إلى تكوين اتصال مستقر بين هذه الأوضاع (الرسوم البيانية على
4 ب ).
يسمح لك استخدام إشارة الميكروويف في وضع الضوء بتحويلها إلى الظلام (
4 ث ). عندما يتم إيقاف تشغيل إشارة الموجات الدقيقة ، تظل الفوتونات في الوضع المظلم ، بحيث يتم فصلها عن الدليل الموجي. بعد تحليل شدة النبضات الضوئية التي تم الحصول عليها في الوضع المظلم ، كان من الممكن تحديد فترة وجودها - 2 نانو ثانية ، وهذا أطول مرتين. من وضع الضوء (
4 د ).
للتعرف على تفاصيل الدراسة ، أوصي بالنظر في تقرير العلماء.الخاتمة
وفقا للعلماء ، يمكن أن تكون هذه الدراسة أداة مفيدة في مواصلة دراسة خصائص الفوتونات وطرق تطبيقها في تقنيات نقل البيانات وتخزينها في المستقبل.
مثل هذه التلاعبات بالفوتونات لا يزال من الصعب تنفيذها ، على الرغم من أن لها إمكانات كبيرة. يمكن تطبيق هذه التقنية لنظام الفوتون المتحكم فيه ثنائي المستوى (وفي المستقبل متعدد المستويات ، وفقًا للباحثين) في حسابات الفوتون الجديدة تمامًا ، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية والضوئيات الطوبولوجية.
على الرغم من كل الصعوبات ، يواصل العلماء الحلم بالتكنولوجيا العالية ويفعلون كل شيء لتحقيق هذه الأحلام. بعد كل شيء ، لا يوجد شيء مثالي في هذا العالم ، مما يعني أن هناك الكثير مما يمكن ويجب تحسينه.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب
هنا .
ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟