Oregon Üniversitesi’nden bilim insanları, 2 boyutlu ince bir altıgen boron nitrür tabakasına odaklanmış galyum iyon demetiyle delikler açarak, tek fotonlar üreten yapay atomlar oluşturdular.
Nano Letters dergisinde yayımlanan çalışmanın baş araştırmacısı olan Oregon Üniversitesi’nden fizikçi Benjamín J. Alemán, “Hava ortamında ve oda sıcaklığında çalışan yapay atomlar, optik tabanlı kuantum bilgisayarları geliştirme çabasında büyük bir adım olabilir” dedi.
Dünyada şu an kuantum bilgisayar teknolojileri için bugüne dek görülmemiş bir motivasyon mevcut
Oregon Üniversitesi’nde Malzeme Bilimi Enstitüsü ve Optik, Moleküler ve Kuantum Bilimleri Merkezi (Material Science Institute and Center for Optical, Molecular, and Quantum Science) üyesi ve Alemán, “Çalışmalarımız, kuantum bilgisinin taşıyıcısı ya da “qubit” gibi davranabilen bir tek foton kaynağı sağlıyor. Bu kaynakları modelledik, istediklerimizi istediğimiz kadar yarattık” dedi.
“Bu tek foton yayıcıları bir mikroçip üzerindeki devrelere ya da ağlara dönüştürmek istiyoruz. Böylece birbirleriyle ya da katı hal spinleri ve süperiletken quibt devreleri gibi diğer varolan qubit teknolojileriyle konuşabilirler.”
Yapay atomlar, 3 yıl kadar önce, “beyaz grafen” olarak da bilinen, kristal örgü içinde bor ve azot atomlarının implantasyonuyla 2 boyutlu altıgen boron nitrür parçacıklarında keşfedildi. Alemán, bu keşfi kuantum fotonik devrelerde fotonları; tek foton kaynağı ya da qubit olarak üretmek ve kullanmak için deneyen sayısız araştırmacılardan biridir.
Kurşun Kalemden Kuantum Kuyulara
Atomları kuantum araştırmalarında kullanmak için geleneksel yaklaşımlar; atomları ya da iyonları yakalamaya ve bunların spinlerini lazerlerle manipüle etmeye odaklandı. Böylece kuantum süperpozisyonu, ya da “off” ve “on” durumlarının eşzamanlı bir kombinasyonu halinde olma yeteneğini sergilediler. Ancak bu tür çalışmalar, gelişmiş ekipmanlarla aşırı soğuk sıcaklıklarda ve vakum ortamında çalışmayı gerektiriyordu.
Yapay atomların kenarlarda bulunduğunu gözlemlemek; Alemán’ın Ulusal Bilim Vakfı (National Science Foundation) tarafından desteklenen ekibini, ilk olarak 500 nanometre genişliğinde ve 4 nanometre derinliğinde daireler çizerek beyaz grafende kenarlar oluşturmaya yönlendirdi.
Aygıtlar daha sonra 850 santigrat derecede oksijenle tavlanarak, içlerindeki karbon ve diğer artık malzemeler uzaklaştırıldı ve foton yayınlayan bölgeler aktif hale getirildi.
Yakın Geleceğin En Önemli Malzemesi Grafen
Grafen, son yılların şüphesiz en çok yankı uyandıran ve yakın gelecek için en çok potansiyel vadeden malzeme. Bilim insanları, son 10 yıldır grafeni delik deşik ederek onun hakkında bir dizi şey öğrendiler.
2009 yılında keşfedilen grafen, Hollandalı -ve Rusya doğumlu- Andre Geim ve Rus kökenli İngiliz vatandaşı Konstantin Novoselov’a birer adet Nobel Fizik ödülü kazandırdı.
Bu iki dahi, yıllardır kurşun kalem ucu olarak kullandığımız ya da en fazla sanayide yapışmayı engellesin diye kalıpların içine sürdüğümüz grafiti ince ince küçülterek tek bir atom katmanından oluşan -yani fizikte 2 boyutlu dediğimiz- bir grafit tabakası elde ettiler. Bu altıgen örgülü tek kat grafite grafen diyoruz. Bir araya gelen grafenler 3 boyutlu grafiti oluşturur.
Söylentiye göre ikili grafitten grafen elde etmek için bildiğimiz standart yapışkan kırtasiye bandı kullandı. Bir yapışkan bandın üzerine konulan bir miktar grafit üzerine yapıştırılıp kaldırılan bir başka bantla yavaş yavaş inceltildi. En sonunda tek bir katman -yani grafen- kalana dek sürdürülen işlem sonunda, elde edilen bu 2 boyutlu malzemenin sıradışı elektronik ve mekanik özellikler gösterdiği görüldü.
Grafenin ilginç doğası onu ne tam bir metal ne de tam bir yarıiletken yapıyor. Bir yarıiletken yapısına sahip olmasına rağmen, yarıiletkenlerde bulunan yasak bant aralığı metallerdeki gibi sıfır. Ancak bir metal değil. Üstelik altıgen yapının içindeki elektronlar uçlara doğru gidildikçe farklılaşmaya başlıyor.
“Fotoğraf: Mark Fromhold, Nottingham Üniversitesi.
Bu bölgelerinde grafen, kütleleri sıfıra yaklaşan ve neredeyse ışık hızında hareket eden “rölativistik Dirac elektronlarına” sahip.
Bugün dünya üzerinde grafenle ilgili çalışmalar; display teknolojileri, süper piller ve ultra hızlı devreler konularında yoğunlaşmış durumda.
Katlanan ekranları görmeye başladık. Yakın zamanda hem hızla şarj olan hem de çok yüksek kapasitelere sahip süper piller ile tanışacağız. Grafenle yapılan elektronik aygıtlar ise hali hazırda 50 GHz gibi mevcut ticari standardın 10 katından fazlasına çıkabiliyor.
Ayrıca oldukça esnek bir malzeme olması nedeniyle, mekanik dayanımı ve enerji emilimi de çok kuvvetli. Bu, nanoteknolojide, özellikle de aktif tabakası çipin diğer bölümlerinden bağımsız ya da havada asılı duracak şekilde üretilen aygıt teknolojilerinde, büyük bir avantaj sağlıyor.
Fotonik Kuantum Bilgisayarlara Taze Kan Desteği
Konfokal mikroskopide delinmiş bölgeler incelenirken, foton yayan çok küçük ışık noktaları ortaya çıktı. Alemán’ın ekibi bu noktaları daha yakından incelediğinde, tekil parlak noktaların, mümkün olan en düşük seviyede ışık yaydığını gördü: Her seferinde sadece tek bir foton…
Alemán, tekli fotonların; -kuantum kriptolojide kullanılan- kuantum anahtar dağıtımında (kuantum key distribution) ya da kuantum bilgisinin aktarılması, depolanması ve işlenmesi için; küçük, ultra hassas termometreler olarak kullanılabileceğini söyledi.
Alemán, “Bu buluşu önemli yapan şey; yapay atomları bir mikroçip içinde üretebilmenin basit ve ölçeklenebilir bir yolunu keşfetmiş olmamız ve yapay atomların atmosfer ortamında ve oda sıcaklığında çalışabiliyor olmasıdır” dedi.
“Yapay atomlarımız birçok yeni ve güçlü teknolojiyi mümkün kılacak. Gelecekte bu teknolojiyi bilim insanları, tamamen daha güvenilir özel bir iletişim için ya da evreni daha iyi anlayabilecek ya da hayat kurtaracak ilaçları tasarlayabilecek çok daha güçlü bir kuantum bilgisayar yapımında kullanabilirler.
Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.
Joshua Ziegler, Rachael Klaiss, Andrew Blaikie, David Miller, Viva R. Horowitz, Benjamín J. Alemán. Deterministic Quantum Emitter Formation in Hexagonal Boron Nitride via Controlled Edge Creation. Nano Letters, 2019; 19 (3): 2121 DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00357
