نخستین جلوه اپتیک غیر کلاسیک در نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی، مواد چند منظوره‌ای هستند که قابلیت استفاده در کاربردهای متنوعی را دارند و تقریباً در همه چیز ـ از مدارهای الکتریکی و دارورسانی تا دسته چوب‌های گلف و نردبان‌های فضایی ـ کاربرد دارند. اخیراً فیزیک‌دانان کاربرد دیگری برای این ماده اعجاب‌آور یافته‌اند و آن چشمه‌های تک فوتونی است که می‌توان از آنها در شبکه‌های مخابراتی کوانتومی بسیار مطمئن و کارآمد استفاده نمود. گروهی از محققان سوئیسی برای نخستین بار ویژگی منحصربه‌فرد اپتیک غیر کلاسیک؛ یعنی فوتون‌های منفرد و غیر خوشه‌ای را در نانولوله‌های کربنی نشردهنده نور مشاهده کردند.

نانولوله‌های کربنی، مواد چند منظوره‌ای هستند که قابلیت استفاده در
کاربردهای متنوعی را دارند و تقریباً در همه چیز ـ از مدارهای الکتریکی
و دارورسانی تا دسته چوب‌های گلف و نردبان‌های فضایی ـ کاربرد دارند.
اخیراً فیزیک‌دانان کاربرد دیگری برای این ماده اعجاب‌آور یافته‌اند و
آن چشمه‌های تک فوتونی است که می‌توان از آنها در شبکه‌های مخابراتی
کوانتومی بسیار مطمئن و کارآمد استفاده نمود.

گروهی از محققان سوئیسی برای نخستین بار ویژگی منحصربه‌فرد اپتیک غیر
کلاسیک؛ یعنی فوتون‌های منفرد و غیر خوشه‌ای را در نانولوله‌های کربنی
نشردهنده نور مشاهده کردند.

سیستم‌های نشر تک فوتونی از قبیل نقاط کوانتومی، اتم‌ها و مولکول‌ها با
توجه به قوانین مکانیک کوانتوم؛ به‌ویژه اصل طرد پاولی، حرکت ذرات
باردار را در هر سه بعد تنها به فضایی بسیار کوچک محدود می‌کنند و
امکان نشر بیش از یک فوتون در هر لحظه را نخواهند داشت. در مطالعه این
دانشمندان مشخص شد که اگر چه نانولوله‌های کربنی تک‌جداره چنین محدودیت
سه بعدی را ندارند و یک مدل تک بعدی نامحدود هستند؛ با این حال باز هم
در هر لحظه تنها یک فوتون گسیل می‌کنند و می‌توان آنها را چشمه‌های تک
فوتونی کاملی به شمار آورد.

این محققان در بررسی خود از نانولوله‌هایی به قطر تنها ۸/۰ نانومتر و
با طول متوسط ۵۰۰ نانومتر استفاده کرده، برای تحریک هر کدام از
نانولوله‌ها آنها را در معرض یک پرتو لیزری و دمای ۲/۴ کلوین قرار
دادند و در نهایت نوری با طول موج حدود ۸۸۰ نانومتر را به دست آوردند.

آنها برای اطمینان از تک فوتونی بودن نور منتشرشده و بررسی رابطه
استاتیکی بین فوتون‌های متوالی، آزمایش‌های متعددی انجام دادند و
دریافتند که احتمال رسیدن همزمان دو فوتون به آشکارساز صفر است. به نظر
آنها عامل کلیدی در این پدیده، یکی فرایندهای غیر خطی آگر بود که موجب
نابودی غیر تابشی یکی از زوج الکترون حفره‌ها می‌شود، و دیگری موضعی
بودن شدید زوج الکترون حفره‌های نانولوله‌های کربنی در دماهای پایین
است.

مزیت استفاده از این نانولوله‌ها به‌عنوان چشمه‌های تک فوتونی قابل
تنظیم بودن آنهاست؛ به ‌طوری که طول موج نشر آنها را ـ که به قطر آنها
بستگی داشته و در هنگام رشد نانولوله‌ها قابل تنظیم است ـ می‌توان با
محدوده مورد نظر در مخابرات نوری تطبیق داد. محققان امیدوارند از این
پدیده بتوان چشمه‌های تک فوتونی جدیدی را برای کاربردهایی؛ از قبیل
مخابرات کوانتومی راه دور و کریپتوگرافی کوانتومی ساخت.

برای آگاهی از جزئیات بیشتر به مقاله این محققان در شماره ۱۰۰، ۲۱۷۴۰
سال ۲۰۰۸ نشریه Physical Review Letters مراجعه نمایید.