FOTONI MILIONI 100 KWA SEKUNDE KUTOKA MOLEKULI MOJA

Mawasiliano ya kwanta, mitandao ya kwanta na kompyuta za kwanta za nuru zote zinategemea sehemu ileile ya msingi: chanzo cha fotoni moja, kifaa kinachotoa nuru fotoni moja kwa wakati, inapohitajika, huku kila fotoni ikifanana kabisa na inayofuata.

Wagombea ni wengi: atomi moja moja, ioni zilizonaswa, nukta za kwanta za semikondakta — zilizokomaa zaidi — na kasoro ndani ya almasi au silikoni. Molekuli za kikaboni ni njia tofauti. Muundo wake huamuliwa na kemia, atomi kwa atomi, na unaweza kuzalishwa upya kwa usahihi kamili; rangi yake inaweza kuchaguliwa kwa kubuni molekuli. Ni ndogo sana na rahisi kutengeneza. Zikipozwa karibu na sifuri halisi ndani ya fuwele mwenyeji, hutoa nuru yenye usafi wa spektra wa juu kabisa unaowezekana na kwa kweli haziishi nguvu.

Tatizo: kupoteza nuru

Kitoa-nuru hutuma nuru pande zote, na sehemu kubwa yake hubaki imenaswa ndani ya nyenzo kwa uakisi kamili wa ndani. Fotoni inayokosa lenzi ya kwanza imepotea milele. Suluhisho za kawaida — vibweta vidogo vya mwangwi (microcavities), nyaya-nano — zinahitaji kuchonga nyenzo. Hilo haliwezekani hapa: fuwele za kikaboni zinazotoa nuru bora zaidi ni dhaifu na hazistahimili michakato ya utengenezaji.

Kioo, kuba na tabaka la nanomita 140

Timu ya Stephan Götzinger katika Taasisi ya Max Planck ya Sayansi ya Nuru huko Erlangen ilitumia badala yake antena bapa. Kioo cha fedha kiko chini ya tabaka la silika. Juu yake, nusutufe ya oksidi ya zirkonia — “lenzi ya kuzamisha imara” (solid immersion lens) — imebandikwa moja kwa moja kwenye msingi, ikiacha mfereji wenye unene wa nanomita 140 tu. Mfereji huo hujazwa fuwele ya kikaboni iliyoyeyushwa (1,4-dichlorobenzene) yenye molekuli chache za dibenzoterrylene, ambayo kisha huganda.

Nuru huelekezwa kwenye kuba lenye kielezo cha juu; kioo hurudisha ile ambayo ingetoroka upande mwingine. Jambo muhimu, fuwele yenyewe haichongwi kamwe: muundo wote uko kwenye msingi. Antena haitegemei mwangwi mwembamba, kwa hiyo inafanya kazi kwenye wigo mpana wa rangi na haitegemei sana jinsi molekuli ilivyoelekezwa. Sampuli hupozwa hadi kelvini 1.4 (−271.75 °C).

Takwimu

Ufanisi wa kukusanya: asilimia 97 ± 2 ya nuru inafika kwenye lenzi ya kwanza.
Takriban fotoni milioni 100 kwa sekunde zilikusanywa kutoka molekuli moja kwenye spektra yake yote — kwa mujibu wa waandishi, kiwango cha juu zaidi kuwahi kuripotiwa kwa chanzo chochote cha fotoni moja chenye baridi kali, bila kujali jukwaa. Kiwango kilichonaswa, hesabu milioni 21.3 kwa sekunde, ni mara kumi zaidi ya vyanzo vya awali vya molekuli vyenye baridi kali.
Usafi: zaidi ya asilimia 97.5 — fotoni kweli zinatoka moja moja, hata chini ya msisimko mkali.
Kutotofautishika: asilimia 91.2 ± 2.3 — jinsi fotoni zinazofuatana zinavyofanana, kukiwa na kikomo cha upotevu mdogo uliobaki wa mshikamano (coherence).
Fotoni mbili zilizotolewa kwa tofauti ya nanosekunde 170.7 bado zinaingiliana kwa uonekano wa juu.
Kama zao la ziada, timu ilipima kwamba molekuli hubadilisha takriban asilimia 90 ya misisimko yake kuwa nuru — makadirio ya kwanza ya moja kwa moja kwenye halijoto ya chini kwa molekuli hii.

Molekuli za kikaboni zajiunga na mbio

Matokeo haya yanaziweka molekuli za kikaboni miongoni mwa majukwaa yenye ushindani kwa fotoni moja: angavu, safi na zenye mshikamano kwa wakati mmoja. Kwa sababu antena haihitaji kurekebishwa kwa molekuli fulani, waandishi wanatarajia ifanye kazi na jozi nyingine za molekuli na fuwele, na kwa hiyo kwenye rangi nyingine. Lengo lao lijalo: kurekebisha molekuli kadhaa jirani kwenye masafa yaleyale ili kuzalisha hali changamano zaidi za kwanta za nuru — hatua kuelekea mitandao ya fotoniki ya kwanta ya baadaye.