اپتیک و کوانتوم

در اتم ها، ذرات بنیادی کوچکی به نام الکترون، مناطقی را در اطراف هسته به نام اوربیتال اشغال می کنند. این اوربیتال ها احتمال یافتن الکترون را در ناحیه خاصی از فضا می دهند. مکانیک کوانتومی شکل و انرژی این اوربیتال ها را تعیین می کند. همانند الکترون‌ها، محققان ناحیه‌ای از فضا را توصیف می‌کنند که در آن فوتون به احتمال زیاد با اوربیتال‌ها نیز یافت می‌شود. محققان دانشگاه توئنته این اوربیتال‌های فوتونیکی را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که با طراحی دقیق مواد خاص، می‌توانند این اوربیتال‌ها را با اشکال و تقارن‌های بسیار متنوع ایجاد و کنترل کنند. این نتایج کاربردهای بالقوه ای در فناوری های نوری پیشرفته و محاسبات کوانتومی دارند.

نویسنده اول کوزون توضیح می دهد: "در کتاب شیمی، الکترون ها همیشه به دور هسته کوچک اتمی در مرکز مدار می چرخند. بنابراین شکل اوربیتال الکترونی نمی تواند از یک کره کامل منحرف شود. با فوتون‌ها، اوربیتال‌ها می‌توانند هر شکلی را که شما طراحی می‌کنید، با ترکیب مواد نوری مختلف در آرایش‌های فضایی طراحی‌شده داشته باشند." محققان یک مطالعه محاسباتی را برای درک نحوه رفتار فوتون ها هنگامی که در یک نانوساختار سه بعدی خاص متشکل از منافذ ریز (یک کریستال فوتونی) محصور می شوند، انجام دادند. این حفره‌ها عمداً به گونه‌ای طراحی شده‌اند که دارای نقص باشند، و یک ساختار فوق‌العاده ایجاد می‌کنند که حالت‌های فوتونیکی را از محیط اطراف جدا می‌کند. فیزیکدانان Vos و Lagendijk می گویند: "با توجه به جعبه ابزار غنی در فناوری نانو، طراحی نانوساختارهای خوب با اوربیتال های فوتونی جدید بسیار آسان تر از اصلاح اتم ها برای تحقق اوربیتال های الکترونیکی جدید و شیمی است."

اوربیتال های فوتونیکی برای توسعه فناوری های اپتیکی پیشرفته مانند نورپردازی کارآمد، محاسبات کوانتومی و حسگرهای فوتونی حساس مهم هستند. محققان همچنین بررسی کردند که چگونه این نانوساختارها چگالی موضعی حالت‌های نوری را افزایش می‌دهند، که برای کاربرد در الکترودینامیک کوانتومی مهم است. آنها دریافتند که ساختارهایی با عیب‌های کوچک‌تر، نسبت به ساختارهایی که دارای نقص‌های بزرگ‌تر هستند، پیشرفت بیشتری نشان می‌دهند. این باعث می شود که آنها برای ادغام نقاط کوانتومی و ایجاد شبکه های تک فوتون مناسب تر باشند.

More information: Marek Kozoň et al, Symmetries and wave functions of photons confined in three-dimensional photonic band gap superlattices, Physical Review B