مطيافية الباعث الكمي

على الطاولة ترقد طبقات متراكمة من رقائق نتريد البورون السداسي، وهو مادة تشبه الغرافيت لكنها مكونة من ذرات البورون والنيتروجين. تُنقل رقيقة واحدة بعناية فوق أخرى، وفي موضع تراكبهما، بعد التسخين في الأكسجين، تولد مصادر ضوء مفردة ساطعة. وتزداد كثافتها بما يصل إلى خمسة عشر ضعفًا مقارنة بالمناطق العادية، بينما تبقى الجودة كما هي.

شعاع المجهر الإلكتروني عادةً يطير في الفراغ، مثل ساعي بريد على طريق سريع فارغ. أي جزيء هواء بالنسبة له هو مطبّ يقفز عنده ويفقد اتجاهه. لذلك، في السابق، لفحص عينة، كانوا يجمّدونها أو يجففونها أو يغطونها بمعدن — ومع ذلك كانوا ينظرون فقط في الفراغ. لكن الصدأ، وانصهار الزجاج، وتنفس المحفز، وحركة أرجل العث، كلها تحدث في الهواء، عند ضغط ودرجة حرارة قاتلين للمجهر العادي.

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

أوركسترا بلا قائد، حيث يسمع الموسيقيون بعضهم البعض عبر جدار مشترك. هذا تقريباً ما يبدو عليه النوع الجديد من الليزر: عدة ذرات (باعثات) موضوعة على طول دليل ضوئي (waveguide) — مسار رفيع للضوء على شريحة. الضوء الصادر من كل ذرة يجري على طول هذا المسار ويؤثر على الجيران. ينشأ عزف جماعي، حيث تبعث الذرات بشكل منسق، مثل أقواس الكمان ترتفع في لحظة واحدة. لكن هناك تفصيل مهم.

الثقب الأسود هو جيب كوني يسقط فيه كل شيء، حتى الضوء. لكن الأعمال الرائدة لكل من جون ويلر، وستيفن هوكينغ، وروجر بنروز أظهرت: أنه في بعض الأحيان، بسبب انحناء الزمكان الهائل، ينقلب هذا الجيب من الداخل إلى الخارج.

عندما تُجمع العديد من الذرات المثارة معًا، فإنها غالبًا ما تطلق الضوء بشكل منسق — مثل حشد يصفق بإيقاع واحد. هذه ظاهرة معروفة منذ زمن طويل تُسمى انبعاث ديكي الفائق (Dicke superradiance).

البحث عن نقطة مضيئة مفردة في عينة مظلمة يشبه محاولة إيجاد إبرة في كومة قش: شعاع المجهر يزحف سطرًا بعد سطر، مضيِّعًا الوقت والضوء. استبدل الفيزيائيون هذا المسح البطيء بأنماط ضوء عشوائية. تُضاء العينة بحقل واسع في كل مرة، لكن بنمط جديد من البقع المضيئة والمظلمة، كما لو كانت تُسقط عليها ظلال عشوائية من شبكة. تسجّل الكاميرا كمية الضوء القادمة من المساحة كلها، ثم يجمع الخوارزم الصورة من هذه الشظايا.

الضوء الذي تبعثه الذرة ليس مجرد وميض. إنه يحمل بصمة الحالة التي كانت عليها الذرة لحظة الانبعاث. أخذ الفيزيائيون كيوبتًا فائق التوصيل — ذرة اصطناعية بحجم رقاقة إلكترونية — وجعلوه يضيء في دليل موجي مفتوح، مثل مصباح في ممر طويل. ثم التقطوا كل فوتون وراقبوا كيف يتغير طوره.

في غرفة مظلمة، يُحبس ذرة وضوء معًا داخل صندوق مرآة. الصندوق صغير جدًا لدرجة أن الذرة لا تستطيع إطلاق الضوء ببساطة؛ فهما يتبادلان الطاقة باستمرار، مثل راقصَين لا يتركان أيدي بعضهما. هذا الاقتران فائق القوة يغيّر قواعد اللعبة نفسها: تُعاد هيكلة مستويات الطاقة، ويخرج الضوء ليس في دفعات منفردة عادية، بل في مجموعات نجمية كاملة.

ضوء الليزر يشبه صفًا مثاليًا من الجنود في عرض عسكري: كل الموجات تهتز في مستوى واحد. هذا النوع من الضوء يُسمى مستقطبًا. في الدراسة الجديدة، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من الحصول على أشعة غاما مستقطبة عن طريق تصادم الإلكترونات مع نبضة ليزرية قوية.

الليزر العادي يشبه جوقة يغني فيها كل فرد بمفرده — الصوت عالٍ لكن مع خشونة لا مفر منها. في الليزر الكمومي الجديد، يسمع المغنون بعضهم البعض ويضبطون أصواتهم. هذا التنسيق يقلل من الإنتروبيا (مستوى الفوضى) ويكبت الضوضاء الكمومية — الاهتزاز الحتمي للضوء على المستوى الدقيق.

مئة يراعة في وعاء تومض بشكل متفرق، لكن بمجرد أن تتزامن، تندمج الومضات في نبضة ساطعة. هذا تقريبًا ما تفعله البواعث الكمومية: ذرات مفردة أو جسيمات اصطناعية قادرة على إصدار الفوتونات. عندما تكون كثيرة وتتفاعل مع بعضها، يصبح حساب سلوكها الجماعي مهمة شاقة. الطرق التقليدية إما بطيئة جدًا أو تفقد تأثيرات كمومية مهمة.

في حقل شاسع من اليراعات التي تتوهج فرادى لا أسرابًا، تبحث منظومة آلية جديدة. إنها تُحرّك الليزر فوق العينة كما لو كان مصباحًا يدويًا، وتسجّل في كل نقطة لون الضوء وسطوعه. فإذا ما توهّج فوتون مفرد في مكان ما — فهذه هي "اليراعة" التي نحتاجها للحواسيب الكمومية والاتصالات المحمية.

الضوء الصادر عن العديد من الباعثات الصغيرة — ذرات أو «نقاط كمومية» اصطناعية — عادةً ما يتشتت في اتجاهات مختلفة، مثل حشد يصرخ فيه كل فرد بصوت منفصل. لكن إذا جعلناهم «يغنون في جوقة»، يصبح الوميض أكثر سطوعًا عدة مرات. هذا الإشعاع المتناسق يُسمى الإشعاع الفائق، وحتى الآن كان يتطلب أن تكون الباعثات متقاربة جدًا — على مسافات أقل من الطول الموجي للضوء.

مصدر الضوء المفرد في طبقة رقيقة من نيتريد البورون يومض وينطفئ خلال نانوثانيتين. يمكن إنشاء العديد من هذه المصادر في المادة، لكن كل واحد منها كان يعمل بمفرده لفترة طويلة. في العمل الجديد، جُعلت تتوهج معاً، مثل الموسيقيين الذين يعزفون في انسجام. لتحقيق ذلك، وُضعت المصادر على مسافة أقل من طول موجة الضوء المنبعث.