نقل قوة الليزر الدقيق المستخدم في علوم الكم إلى نطاق الرقاقة
بالنسبة للتجارب التي تتطلب قياسات فائقة الدقة والتحكم في الذرات ـ مثل الساعات الذرية ثنائية الفوتون، وأجهزة استشعار التداخل الذري البارد، والبوابات الكمومية ـ فإن الليزر هو التكنولوجيا المفضلة، وكلما كان الطيف نقياً (ينبعث منه لون/تردد واحد)، كان ذلك أفضل. وتحقق تكنولوجيا الليزر التقليدية على نطاق المختبرات حالياً هذا الضوء المستقر المنخفض الضوضاء للغاية من خلال أنظمة ضخمة ومكلفة مصممة لتوليد الفوتونات وتسخيرها وإصدارها ضمن نطاق طيفي ضيق.
بالنسبة للتجارب التي تتطلب قياسات فائقة الدقة والتحكم في الذرات ـ مثل الساعات الذرية ثنائية الفوتون، وأجهزة استشعار التداخل الذري البارد، والبوابات الكمومية ـ فإن الليزر هو التكنولوجيا المفضلة، وكلما كان الطيف نقياً (ينبعث منه لون/تردد واحد)، كان ذلك أفضل. وتحقق تكنولوجيا الليزر التقليدية على نطاق المختبرات حالياً هذا الضوء المستقر المنخفض الضوضاء للغاية من خلال أنظمة ضخمة ومكلفة مصممة لتوليد الفوتونات وتسخيرها وإصدارها ضمن نطاق طيفي ضيق.
ولكن ماذا لو أمكن رفع هذه التطبيقات الذرية من حدودها الحالية في المختبرات وعلى أسطح المكاتب؟ هذا التقدم هو جوهر الجهود المبذولة في مختبر دانييل بلومنثال، أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، حيث يسعى فريقه إلى إعادة إنشاء أداء هذه الليزر على أجهزة خفيفة الوزن يمكن أن تتناسب مع راحة يدك.
قال أندريه إيسيتشينكو، وهو باحث في مختبر بلومنثال: “ستمكن هذه الليزرات الأصغر حجمًا من إيجاد حلول ليزر قابلة للتطوير للأنظمة الكمومية الفعلية، بالإضافة إلى الليزر لأجهزة الاستشعار الكمومية المحمولة والقابلة للنشر في الميدان وفي الفضاء. وسوف يؤثر هذا على مجالات التكنولوجيا مثل الحوسبة الكمومية بالذرات المحايدة والأيونات المحاصرة وأجهزة الاستشعار الكمومية ذات الذرات الباردة مثل الساعات الذرية وأجهزة قياس الجاذبية”.
في ورقة بحثية نشرت في مجلة Scientific Reports ، قدم بلومنثال وإيسيتشينكو وفريقهما تطورًا في هذا الاتجاه باستخدام ليزر 780 نانومتر مقفل ذاتي الحقن بعرض خطي منخفض للغاية على نطاق الشريحة. يقول الباحثون إن هذا الجهاز بحجم علبة الثقاب تقريبًا يمكن أن يؤدي أداءً أفضل من الليزر الحالي ذي عرض خطي ضيق 780 نانومتر، مقابل جزء بسيط من تكلفة التصنيع والمساحة اللازمة لاحتواءه.
استخدام الليزر
الذرة التي تحفز تطوير الليزر هي الروبيديوم، ولهذا السبب تم اختيارها بسبب خصائصها المعروفة التي تجعلها مثالية لمجموعة متنوعة من التطبيقات عالية الدقة. إن استقرار انتقالها الضوئي D2 يمنح الذرة ملاءمة جيدة للساعات الذرية؛ كما أن حساسية الذرة تجعلها خيارًا شائعًا لأجهزة الاستشعار وفيزياء الذرات الباردة. من خلال تمرير الليزر عبر بخار ذرات الروبيديوم كمرجع ذري، يمكن لليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء أن يكتسب سمة الانتقال الذري المستقر.
وأشار بلومينثال، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، إلى أنه “يمكنك استخدام خطوط الانتقال الذري لربط الليزر. وبعبارة أخرى، من خلال ربط الليزر بخط الانتقال الذري، فإن الليزر يأخذ إلى حد ما خصائص هذا الانتقال الذري من حيث الاستقرار”.
ولكن الضوء الأحمر الفاخر لا يصنع ليزرًا دقيقًا. وللحصول على ضوء بالجودة المطلوبة، لا بد من إزالة “الضوضاء”. ويصف بلومنثال هذا الأمر بأنه أشبه بشوكة رنانة مقابل أوتار الجيتار.
“إذا كان لديك شوكة رنانة وضربت نغمة C، فمن المحتمل أن تكون نغمة C مثالية”، كما أوضح. “ولكن إذا ضربت نغمة C على الجيتار، فيمكنك سماع نغمات أخرى هناك”. وعلى نحو مماثل، قد تتضمن أشعة الليزر ترددات (ألوان) مختلفة تولد “نغمات” إضافية. لإنشاء التردد الفردي المطلوب – الضوء الأحمر العميق النقي في هذه الحالة – تتضمن أنظمة سطح المكتب مكونات إضافية لتهدئة ضوء الليزر بشكل أكبر. كان التحدي الذي يواجه الباحثين هو دمج كل هذه الوظائف والأداء على شريحة.
استخدم الفريق مزيجًا من ثنائي ليزر فابري بيرو المتوفر تجاريًا، وبعض الموجهات الموجية الأقل خسارة في العالم (المصنعة في مختبر بلومنثال)؛ بالإضافة إلى الرنانات الأعلى جودة، وكلها مصنعة في منصة نيتريد السيليكون. ومن خلال القيام بذلك، تمكنوا من تكرار أداء الأنظمة الضخمة التي توضع على سطح الطاولة – ويمكن لجهازهم، وفقًا لاختباراتهم، أن يتفوق على بعض أجهزة الليزر التي توضع على سطح الطاولة بالإضافة إلى أجهزة الليزر المتكاملة التي تم الإبلاغ عنها سابقًا بأربعة أوامر من حيث الحجم في مقاييس رئيسية مثل ضوضاء التردد وعرض الخط.
وأوضح إيزيتشينكو أن “أهمية قيم عرض الخطوط المنخفضة تكمن في أننا نستطيع تحقيق ليزر مضغوط دون التضحية بأداء الليزر. وفي بعض النواحي، يتحسن الأداء مقارنة بالليزر التقليدي بسبب التكامل الكامل على نطاق الشريحة. وتساعدنا هذه الخطوط على التفاعل بشكل أفضل مع الأنظمة الذرية، والقضاء على مساهمات ضوضاء الليزر لحل الإشارة الذرية بالكامل استجابةً للبيئة التي تستشعرها على سبيل المثال”. وتشير الخطوط المنخفضة ـ من حيث هذا المشروع، إلى تردد أساسي منخفض قياسي دون الهيرتز وتكامل دون الكيلوهرتز ـ إلى استقرار تكنولوجيا الليزر وقدرتها على التغلب على الضوضاء من المصادر الخارجية والداخلية.
وتتضمن المزايا الإضافية لهذه التكنولوجيا التكلفة – فهي تستخدم صمامًا ثنائيًا بقيمة 50 دولارًا، وتوظف عملية تصنيع فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير يتم إنشاؤها باستخدام عملية مقياس رقاقة متوافقة مع CMOS والتي تستمد من عالم تصنيع الشرائح الإلكترونية.
ويعني نجاح هذه التكنولوجيا أنه سيكون من الممكن نشر هذه الليزرات المتكاملة الفوتونية عالية الأداء والدقة ومنخفضة التكلفة في مجموعة متنوعة من المواقف داخل وخارج المختبر، بما في ذلك التجارب الكمومية، وقياس الوقت الذري، واستشعار أضعف الإشارات، مثل تحولات تسارع الجاذبية حول الأرض.
وقال بلومنثال “يمكنك وضع هذه الأجهزة على الأقمار الصناعية لرسم خريطة جاذبية الأرض وما حولها بدقة معينة. ويمكنك قياس ارتفاع مستوى سطح البحر والتغيرات في الجليد البحري والزلازل من خلال استشعار المجالات الجاذبية حول الأرض”. وأضاف أن الحجم الصغير وانخفاض استهلاك الطاقة وخفة الوزن “مناسب تمامًا” للتكنولوجيا التي سيتم نشرها في الفضاء.