باحثو التخنيون يضيئون الإكسيتون المظلم لأول مرة

تم نشر البحث في مجلة Nature Physics * الإكسيتون المظلم هو إثارة أساسية لأشباه الموصلات التي لا تتفاعل مع الضوء؛ قد يكون هذا الاكتشاف تطبيقًا مهمًا في طريقة معالجة المعلومات الكمومية

وجد باحثو التخنيون لأول مرة طريقة للوصول إلى الإكسيتون المظلم بمساعدة الضوء. وقد يكون لعملهم، الذي نُشر في المجلة العلمية المرموقة Nature Physics، تطبيقات ستكون خطوة أخرى على طريق حساب ومعالجة المعلومات الكمومية.

يوضح البروفيسور ديفيد غيرشوني وطالبا الدكتوراه إيلون بوام ويارون كودريانو من كلية الفيزياء أن الإكسيتون المظلم هو حالة مثارة لأشباه الموصلات التي لا تتفاعل مع الضوء. "عندما يحدث الإثارة الإلكترونية في شبه الموصل، ينتقل الإلكترون (الذي له شحنة كهربائية سالبة) من نطاق التكافؤ، وهو منخفض الطاقة ومليء بالإلكترونات، إلى نطاق التوصيل، وهو مرتفع في الطاقة وخالي من الإلكترونات. يسمى الإلكترون المفقود في نطاق التكافؤ "ثقب" وشحنته الكهربائية موجبة. ويقولون إن بين الإلكترون والفجوة هناك قوة جذب كهربائية تربطهما. يُطلق على الإلكترون المرتبط والفجوة اسم الإكسيتون. يتمتع الإلكترون بدرجة كمية من الحرية تشبه الدوران حول محوره والذي يسمى "السبين". إذا كان دوران الثقب، مثل شحنته، معاكسًا في الاتجاه لاتجاه دوران الإلكترون، فيمكن للإلكترون أن يعود إلى نطاق التكافؤ بينما ينبعث طاقته الزائدة على شكل ضوء ("فوتون") ويسمى بالشعاع الساطع. إكسيتون. لكن إذا كان دوران الثقب موازيا في اتجاهه لاتجاه دوران الإلكترون، فإن مثل هذا التكرار محظور، ولا يكون انبعاث الضوء ممكنا، ويسمى الإكسيتون بالإكسيتون المظلم. عندما يُسمح بانبعاث الضوء، فإنه يحدث بسرعة كبيرة، وبالتالي فإن الإكسيتون الساطع يعيش لمدة لا تزيد عن جزء من المليار من الثانية. ومع ذلك، عندما تُمنع العملية، يصبح عمر الإكسيتون (المظلم) أطول بألف مرة تقريبًا.

يتم تحديد الدوران الكلي للإكسيتون المظلم من خلال مجموع دورات الإلكترون والفجوة ويمكن توجيهه لأعلى (منطقي لبتة معلومات) أو لأسفل (صفر منطقي). لكن في نظرية الكم، يتم وصف حالة السبين الحقيقية من خلال مزيج من هاتين الحالتين. ولهذا السبب، يتم تخزين معلومات أكثر بكثير في حالة الدوران مقارنةً بت المعلومات الكلاسيكية ويمكن استخدامها كبت معلومات كمومية أو "بت كمي". تعتمد التكنولوجيا المستقبلية التي تسمى معالجة المعلومات الكمومية، بما في ذلك الحوسبة التساهمية، على القدرة على تطبيق الكيوبتات.

اكتشف باحثو التخنيون طريقة جديدة "لكتابة" حالة الدوران للإكسيتون المظلم و"قراءتها" باستخدام الضوء. لقد تمكنوا من تحضير إكسيتون مظلم في نقطة كمومية شبه موصلة في حالة دوران معروفة ومحددة ومن ثم متابعة التطور الزمني لحالة الدوران. ويقولون: "لقد قمنا بقياس المعدل الذي يتأرجح به دوران الإكسيتون المظلم بين حالتيه الذاتيتين".

إن اكتشاف الباحثين في التخنيون له قيمة علمية كبيرة نظرا لأصالة البحث. قد يكون هذا الاكتشاف أيضًا معلمًا تطبيقيًا، نظرًا لأن الإكسيتون المظلم نظرًا لعمره الطويل، وحياده الكهربائي، وعدم حساسيته للاضطرابات البيئية، قد يكون له مزايا لاستخدامه ككيوبت لأغراض معالجة المعلومات الكمومية وتخزينها. يعد استخدام النقاط الكمومية لأشباه الموصلات أمرًا جذابًا بشكل خاص لهذه الاحتياجات، نظرًا لأن أشباه الموصلات والهياكل النانوية داخلها مناسبة بشكل خاص لمعالجة المعلومات والاتصالات وتقنيات الحوسبة، والتي تعتمد عليها بالكامل.