100 مليون فوتون في الثانية من جزيء واحد
يعتمد الاتصال الكمومي والشبكات الكمومية والحواسيب الكمومية الضوئية كلها على القطعة الأساسية نفسها: مصدر الفوتونات المفردة، وهو جهاز يطلق الضوء فوتونًا فوتونًا عند الطلب، بحيث يكون كل فوتون مطابقًا للذي يليه.
ثمة مرشحون كثيرون: ذرات مفردة، وأيونات محتجزة، ونقاط كمومية من أشباه الموصلات، وهي الأكثر نضجًا، وعيوب في الألماس أو السيليكون. أما الجزيئات العضوية فمسار مختلف. فبنيتها تحددها الكيمياء ذرةً ذرة، ويمكن استنساخها بدقة تامة؛ ويمكن اختيار لونها بتصميم الجزيء. وهي ضئيلة ورخيصة الصنع. وعند تبريدها إلى ما يقارب الصفر المطلق داخل بلورة مضيفة، تطلق ضوءًا بأعلى نقاء طيفي ممكن، ولا تكاد تبلى أبدًا.
المشكلة: ضياع الضوء
يرسل الباعث الضوء في كل الاتجاهات، ويبقى جزء كبير منه محبوسًا داخل المادة بفعل الانعكاس الكلي الداخلي. والفوتون الذي يفوت العدسة الأولى يضيع إلى الأبد. والحلول المعتادة، كالتجاويف الدقيقة والأسلاك النانوية، تتطلب حفر المادة. وهذا مستحيل هنا: فالبلورات العضوية التي تعطي أفضل ضوء هشة ولا تصمد أمام عمليات التصنيع.
مرآة وقبة وطبقة سماكتها 140 نانومترًا
استخدم فريق شتيفان غوتسينغر في معهد ماكس بلانك لعلوم الضوء في إرلانغن بدلًا من ذلك هوائيًا مستويًا. توجد مرآة من الفضة تحت طبقة من السيليكا. وفوقها نصف كرة من أكسيد الزركونيوم، أي «عدسة غمر صلبة» (solid immersion lens)، ملصقة مباشرة بالركيزة، تاركة قناة لا تتجاوز سماكتها 140 نانومترًا. تُملأ هذه القناة ببلورة عضوية منصهرة (1،4-ثنائي كلوروبنزين) تحتوي على بضعة جزيئات من ثنائي بنزوتيريلين (dibenzoterrylene)، ثم تتصلب.
يُوجَّه الضوء نحو القبة ذات معامل الانكسار العالي، وتعيد المرآة ما كان سيفلت في الاتجاه الآخر. والأهم أن البلورة نفسها لا تُحفر أبدًا: فكل البنية موجودة في الركيزة. ولا يعتمد الهوائي على رنين ضيق، لذا يعمل على نطاق واسع من الألوان ولا يكاد يتأثر باتجاه الجزيء. وتُبرَّد العيّنة إلى 1.4 كلفن (−271.75 °م).
الأرقام
- كفاءة التجميع: 97 ± 2 % من الضوء يصل إلى العدسة الأولى.
- نحو 100 مليون فوتون في الثانية جُمعت من جزيء واحد على كامل طيفه، وهو بحسب المؤلفين أعلى معدل أُبلغ عنه لأي مصدر فوتونات مفردة مبرَّد، أيًا كانت المنصة. والمعدل المرصود، 21.3 مليون عدّة في الثانية، أعلى بعشر مرات من المصادر الجزيئية المبرَّدة السابقة.
- النقاء: أكثر من 97.5 %، فالفوتونات تخرج فعلًا واحدًا تلو الآخر، حتى تحت إثارة قوية.
- عدم قابلية التمييز: 91.2 ± 2.3 %، أي مدى تطابق الفوتونات المتتالية، وهو محدود بفقدان طفيف متبقٍّ في الترابط (coherence).
- فوتونان أُطلقا بفارق 170.7 نانوثانية ما زالا يتداخلان بوضوح عالٍ.
- وكنتيجة جانبية، قاس الفريق أن الجزيء يحوّل نحو 90 % من إثاراته إلى ضوء، وهو أول تقدير مباشر عند درجة حرارة منخفضة لهذا الجزيء.
الجزيئات العضوية تدخل السباق
تضع هذه النتائج الجزيئات العضوية بين المنصات المنافسة للفوتونات المفردة: ساطعة ونقية ومترابطة في آن واحد. ولأن الهوائي لا يحتاج إلى ضبطه على جزيء بعينه، يتوقع المؤلفون أن يعمل مع أزواج أخرى من الجزيئات والبلورات، وبالتالي عند ألوان أخرى. وهدفهم التالي: ضبط عدة جزيئات متجاورة على التردد نفسه لإنتاج حالات كمومية أعقد من الضوء، وهي خطوة نحو شبكات ضوئية كمومية مستقبلية.