سفارش تبلیغ
صبا ویژن

خوشه های جادویی موسوم به نقاط کوانتومی

لوئیس بروس استاد رشته شیمی دانشگاه کلمبیا، در دهه 1980 موفق به کشف نقاط کوانتومی شد؛ کشفی که حاصل آن جوایز بین‌اللملی متعددی بود. مقاله‌های بروس درباره کشف نقاط کوانتومی بیش از 3500 ارجاع داشته است. در حال حاضر محققان مختلفی در سراسر جهان روی این خوشه‌های اتمی تحقیق می‌کنند.

شیمی‌دان‌های اندکی وجود دارند که موفق به کشف رازهای سر به مهری شوند که سالیانی دراز کسی قادر به گشودن آنها نبوده باشد، لوئیس بروس یکی از این افراد است که در دهه 1980 کشف جالبی کرد. در این سال‌ها او در آزمایشگاه‌های بل در نیوجرسی مشغول تحقیق بود و نتایج یافته‌های خود را در قالب دو مقاله در سال‌های 1983 و 1984 در نشریه Journal of Chemical Physics, 79[11]: 5566-71; and 80[9], 4403-9 به چاپ رساند.
این مقالات درباره رفتار الکترونیکی ذراتی بود که او آنها را بلورهای نیمه‌هادی کوچک نام‌گذاری کرد. امروزه این بلورها به نانوبلورهای نیمه‌هادی شناخته شده و نام نقاط کوانتومی روی آنها گذاشته شده‌است. هرچند نقاط کوانتومی از صدها و هزاران اتم تشکیل شده‌است اما رفتار الکترون و سطح انرژی آن در این خوشه اتمی به شکلی است که رفتاری شبیه الکترون منفرد دارد.
این دو مقاله بروس به حدی مورد توجه جوامع علمی قرار گرفت که بیش از 3500 بار به آنها ارجاع داده شد و به عنوان یکی از تحقیقات تاثیرگذار در حوزه‌های مختلف، نظیر تشخیص پزشکی و زیست‌شناسی شناخته شد. در حال حاضر نقاط کوانتومی از منظر نوری اهمیت زیادی پیدا کرده است به طوری که می‌توان از آنها در ساخت LED استفاده کرد.
بروس به دنبال رفتار ذرات نیمه‌هادی کلوئیدی بود؛ ذراتی که به دلیل بالا بودن مساحت سطحی، رفتارهای ویژه‌ای از خود نشان می‌دادند. چیزی که بروس کشف کرد این بود که باندگپ این نانوساختارها ثابت نبوده و متغییر است. باندگپ، فضایی است که الکترون باید به اندازه‌ای انرژی جذب کند که قادر به گذر از حالت پایه و رسیدن به تراز هدایت باشد. بروس دریافت که این فضا کاملا بستگی به ابعاد خوشه اتمی دارد. هر قدر این خوشه کوچکتر باشد امکان کنترل الکترون، درون آنها فراهم‌تر است. زمانی که نقاط کوانتومی با ابعاد مختلف در معرض تابش پرتو فرابنفش قرار می‌گیرند رنگ‌های مختلفی از خود نشان می‌دهند که این موید ارتباط میان ابعاد نقاط کوانتومی و باندگپ آنها است.
بروس دریافته است چیزی که کشف کرده اهمیت زیادی دارد بنابراین به بررسی این پدیده از منظر تئوری و عملی پرداخته است. یافته‌های او سرآغاز حرکتی شده که به رشد شاخه‌ای جدید از علم منتهی می‌شود.


تولید انبوه کوانتوم دات

محققان عربستانی موفق به ارائه روشی برای تولید انبوه نقاط کوانتومی شدند. این روش بسیار ارزان بوده و کیفیت محصول نهایی آن بسیار بالا است. این روش می‌تواند مسیر تجاری‌سازی نقاط کوانتومی را هموار کند. نقاط کوانتومی مواد بسیار جالبی برای استفاده در اپتوالکترونیک، حسگری و سلول‌های فتوولتائیک هستند. دلیل این امر، قیمت پایین آنها و باند گپ قابل کنترل در این مواد است. در واقع با تغییر ابعاد نقاط کوانتومی می‌توان مقدار جذب نوری این نانوبلورها را کنترل کرد. این ترکیبات برای تولید ادوات قابل چاپ به روش رول به رول بسیار ایده‌آل هستند. یکی از دلایلی که موجب شده تا نقاط کوانتومی در مرحله تجاری‌سازی موفق نباشند، روش تولید آنها است. هنوز از روش‌های سنتز دستی (در فلاسک‌های واکنش کلاسیک) برای تولید این ترکیبات استفاده می‌شود. از آنجایی که کنترل ابعاد این ساختارها بسیار مهم است، باید پارامترهای سنتز به دقت کنترل شوند تا بتوان به محصولی با ابعاد مشخص و از قبل تعیین شده رسید. از سوی دیگر کنترل دقیق این پارامترها (دما و غلظت مواد اولیه) در واکنش‌هایی در مقیاس کوچک امکان‌پذیر است، بنابراین تولید انبوه این ترکیبات کار بسیار دشواری است به طوری که تولید انبوه نقاط کوانتومی با کیفیت بالا بسیار پرهزینه خواهد بود. همانند تشکیل قطره باران، تولید نقاط کوانتومی با هسته‌زایی و رشد انجام می‌شود، این دو فرآیند به شدت وابسته به دما و غلظت هستند. برای تولید نقاط کوانتومی با ابعاد یکنواخت باید بتوان به سرعت دمای واکنش را در مرحله هسته‌زایی به دمای رشد کاهش داد. بنابراین، کیفیت محصول به این بستگی دارد که چقدر تمام بخش‌های راکتور بتواند شرایط دمایی و شیمیایی یکسانی داشته باشد. تاکنون چنین شرایطی برای تولید نقاط کوانتومی ایجاد نشده‌است. محققان دانشگاه ملک عبدالله کانال‌هایی با قطر کمتر از یک میلی‌متر ساخته‌اند که می‌توان سیال حاوی مواد اولیه را وارد آن کرد. با توجه به کوچک بودن ابعاد کانال کنترل دما به راحتی قابل انجام است از سوی دیگر به‌صورت خودکار غلظت مواد اولیه در حین پمپ کردن سیال به داخل کانال کنترل می‌شود. پژوهشگران مرحله هسته‌زایی و رشد را در دو بخش جداگانه انجام دادند به طوری که دو کانال جداگانه برای این کار در نظر گرفته شده‌است. نتایج این پروژه نشان داد که می‌توان نقاط کوانتومی با کیفیتی بالا را با هزینه کم و به صورت انبوه با این روش تولید کرد.

منبع: دپارتمان شیمی



رایانه های کوانتومی-منبع تک فوتون

محققان چینی، انگلیسی و آلمانی موفق به ساخت منبع تک فوتون با بالاترین کیفیت ‏موجود برای یک سیستم نیمه‌رسانای نقطه کوانتومی شدند. نتایج بدست آمده برای ساخت ‏رایانه‌های کوانتومی فوق‌سریع بسیار حائز اهمیت خواهد بود.‏
این گروه به رهبری چااو یانگ لو و جیان وِی پَن موفق به ساخت این منبع تک فوتون ‏شدند؛ به گونه‌ای که در هر برخورد پالس لیزر در نقطه کوانتومی، یک و تنها یک فوتون ‏تولید می‌شود. فوتون تولیدشده همچنین دارای خاصیت مهم «توانایی عدم تشخیص نزدیک ‏به واحد» یا به عبارت دیگر یکسان بودن نزدیک به یکدیگر است. این گروه به شکل ‏بسیار خوبی توانست این دو خصیصه تولید قطعی فوتون‌های منفرد و یکسان را ترکیب کند.‏

در عمل، رایانه‌های کوانتومی ممکن است برای کار کردن به صدها فوتون منفرد نیاز ‏داشته باشند. این فوتون‌ها بعنوان بیت‌های کوانتومی (واحد محاسباتی بنیادی) عمل کرده که ‏تحت عملیات کوانتومی کنترل شده بیشماری قرار می‌گیرند. برای افزایش اینگونه سیستم‌ها، ‏نیاز است تا فوتون‌های منفرد به طور قطعی تولید شوند. اگر این مورد توجه قرار نگیرد، ‏احتمال موفقیت کلی به سرعت به صفر می‌رسد.‏
این فوتون‌های منفرد همچنین می‌بایست مکانیک کوانتومی یکسانی داشته باشند، بطوری ‏که در ساخت رایانه (بعنوان مثال دستگاه‌هایی از قبیل گیت‌های ‏NOT‏ کنترل شده بین بیت‌های ‏کوانتومی) بتوان از اثرات تداخل کوانتومی بهره برد. ‏

انجام این تحقیق با تاباندن یک پالس لیزر بر روی یک نقطه کوانتومی آغاز شد. مدت ‏زمان اعمال این پالس لیزر تنها 3 پیکوثانیه طول می‌کشد و طول‌موج مرکزی آن به گونه‌ای ‏تنظیم می‌شود که دقیقا با انتقال نور نقطه کوانتومی مطابقت دارد. لیزر، در مدت زمان بسیار ‏کوتاهی نقطه کوانتومی را از حالت پایه و خلاء به حالت برانگیخته شامل جفت الکترون و ‏حفره مقید، تحریک می‌کند. سپس این جفت الکترون و حفره دوباره ترکیب شده و تنها ‏یک فوتون ساطع می‌کنند. ‏

کشف حاضر، بالاترین کیفیت منبع با فوتون منفردی است که تاکنون در سیستم‌های ‏نیمه‌رسانای نقطه کوانتومی بدست آمده است. کیفیت این منبع برای اولین بار به حدی رسیده ‏است که می‌توان آن را با آن دسته از منابع طبیعی و مرسوم (مانند اتم‌ها و یون‌های گیرافتاده) ‏مقایسه کرد. همچنین این تحقیق با نام «تحریک پالسی ‏s-shell‏ در نقاط کوانتومی» برای ‏اولین بار فراتر از آخرین تحقیق در این زمینه با نام «تکنیک تحریک پالسی ‏p-shell‏» که 10 ‏سال پیش توسط گروهی به رهبری یوشی هیسا یاماموتو از دانشگاه استانفورد انجام شده بود، ‏حرکت کرد.‏

اما این پایان کار نیست. این منبع منفرد فوتون کشف‌شده می‌تواند به فوتون‌های بیشتری ‏افزایش یابد و سپس در سیستم‌های پیچیده چندفوتون و الگوریتم‌های کوانتومی ساده مورد ‏استفاده قرار گیرد. بعنوان مثال می‌توان از آنها در پایگاه داده مشهور گرووِر (‏Grover’s‏ ‏database‏) بهره برد. ‏

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ‏Nature Nanotechnology‏ ‏منتشر کرده‌اند.‏

منبع: دپارتمان شیمی



در پروژه های خود کوانتوم دات بسازیم؟

وقتی به پایان نامه های چند سال اخیر دانشگاه های معتبر ایران نظری بیافکنیم متوجه میشویم که رشته های مختلف از جمله شیمی به نانو و سنتز مواد در ابعاد نانو توجه ویژه ای کرده اند. این روزها هم گرایش های مختلف شیمی به نحوی با نانو زندگی میکند. البته سهم ستاد نانو را نباید کنار گذاشت ولی شناخت کاربردهای مختلف مواد به خصوص نانو مواد میتواند کمک شایانی به پیشرفتهای علمی و اقتصادی بکند. یکی از پروژه های جالب سنتز نانو مواد، سنتز نقاط کوانتومی است.
شرکت مواد کوانتومی (Quantum Materials Corp) اخیرا پتنتی درباره روش سنتز نقاط کوانتومی چهارپایه به ثبت رسانده است. با این روش می‌توان کنترل زیادی روی ابعاد، جنس و ویژگی‌های ساختاری نقاط کوانتومی چهارپایه داشت.
براساس قانون کاشا که در دهه 1950 ارائه شد، اگر یک منبع نور، مولکولی را برانگیخته کند آن مولکول پرتو منفردی را نشر خواهد داد. در سال 2011 یک گروه تحقیقاتی از آزمایشگاه ملی برکلی در لورنس موفق شد با استفاده از نقاط کوانتومی چهار پا قانون کاشا را نقض کند به طوری که به جای نشر یک پرتو، دو پرتو مختلف از موکول منتشر شود. دلیل این پدیده آن است که نقاط کوانتومی چهار پا از بخش‌های متفاوتی نور را نشر می‌دهد به طوری که مرکز نقاط کوانتومی یک طول موج و بازوهای آن طول موج دیگری را نشر می‌دهند. این یافته محققان منجر به پدیدار شدن پتانسیل‌های مختلف در حوزه اپتیک و نانوزیست فناوری شد.
شرکت مواد کوانتومی (Quantum Materials Corp) نقاط کوانتومی چهارپا را به بازار عرضه کرده است تا محققانی که قصد دارند از این مواد برای نشر دوگانه استفاده کنند بتوانند با خرید این محصول تحقیقات خود را انجام دهند. حسگرهای نقاط کوانتومی چهارپا نیز قادراند این نشر دوگانه را حتی در مقادیر بسیار کم شناسایی کنند. نانوپیمایش‌گرهای ساخته شده توسط این شرکت می‌تواند به عنوان ابزاری برای رصد فرآیندهای زیست‌شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.
شرکت مواد کوانتومی موفق به ثبت پتنی در حوزه شده است در این پتنت روش سنتز این نقاط کوانتومی با کنترل بسیار بالا درج شده است به طوری که می‌توان ابعاد، ترکیب شیمیایی، طول بازوها و ضخامت بازوهای نقاط کوانتومی چهارپایه را به راحتی کنترل کرد. این که می‌توان با این روش ویژگی‌های نقاط کوانتومی را با دقت بالایی تنظیم کرد به محققان این امکان را می‌دهد تا نشر نور از این نقاط را تحت کنترل داشته باشند.
دیوید دودره مدیر بخش تحقیق و توسعه این شرکت می‌گوید مفتخریم که تنها شرکتی هستیم که می‌تواند نقاط کوانتومی چهارپایه را در مقیاس صنعتی تولید کند. ما قادریم نیازهای مشتریان را پاسخ داده و محصولاتی با کیفیت بالا در مقیاس تجاری تولید کنیم. شرکت مواد کوانتومی دفتر جدیدی در استارپارک واقع در سن مارکوس افتتاح کرده است.
بیشترین استفاده از نقاط کوانتومی چهارپایه در صنعت الکترونیک قابل چاپ، LED و پیل‌های خورشیدی است. شرکت مواد کوانتومی درصدد است تا سهم بیشتری از این بازار 100 میلیون دلاری را به خود اختصاص دهد.
هرچند کاربردهای نقاط کوانتومی در ایران هنوز صنعتی نشده است ولی در آزمایشگاه های تحقیقاتی کشور بعضا توجه خاصی به سنتز و کاربردهای شیمی تجزیه آن شده است.
در دانشگاه شریف آزمایشگاه دکتر باقری و دکتر هرمزی نژاد میتوانند راهنمایی های ارزنده به دانشجویان داشته باشند.

منبع: دپارتمان شیمی




   1   2      >




  • Back To Top
  •