Oregon Universitesi ’nden bilim insanları, 2 boyutlu ince bir altıgen boron nitrur tabakasına odaklanmış galyum iyon demetiyle delikler acarak, tek fotonlar ureten yapay atomlar oluşturdular.
Nano Letters dergisinde yayımlanan calışmanın baş araştırmacısı olan Oregon Universitesi ’nden fizikci Benjamín J. Alemán, “Hava ortamında ve oda sıcaklığında calışan yapay atomlar, optik tabanlı kuantum bilgisayarları geliştirme cabasında buyuk bir adım olabilir” dedi.
Dunyada şu an kuantum bilgisayar teknolojileri icin bugune dek gorulmemiş bir motivasyon mevcut
Oregon Universitesi ’nde Malzeme Bilimi Enstitusu ve Optik, Molekuler ve Kuantum Bilimleri Merkezi (Material Science Institute and Center for Optical, Molecular, and Quantum Science) uyesi ve Alemán, “Calışmalarımız, 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 mikrocip uzerindeki devrelere ya da ağlara donuşturmek istiyoruz. Boylece birbirleriyle ya da katı hal spinleri ve superiletken quibt devreleri gibi diğer varolan qubit teknolojileriyle konuşabilirler.”
Yapay atomlar, 3 yıl kadar once, “beyaz grafen” olarak da bilinen, kristal orgu icinde bor ve azot atomlarının implantasyonuyla 2 boyutlu altıgen boron nitrur parcacıklarında keşfedildi. Alemán, bu keşfi kuantum fotonik devrelerde fotonları; tek foton kaynağı ya da qubit olarak uretmek ve kullanmak icin deneyen sayısız araştırmacılardan biridir.
Kurşun Kalemden Kuantum Kuyulara
Atomları kuantum araştırmalarında kullanmak icin geleneksel yaklaşımlar; atomları ya da iyonları yakalamaya ve bunların spinlerini lazerlerle manipule etmeye odaklandı. Boylece kuantum superpozisyonu, ya da “off” ve “on” durumlarının eşzamanlı bir kombinasyonu halinde olma yeteneğini sergilediler. Ancak bu tur calışmalar, gelişmiş ekipmanlarla aşırı soğuk sıcaklıklarda ve vakum ortamında calışmayı gerektiriyordu.
Yapay atomların kenarlarda bulunduğunu gozlemlemek; Alemán ’ın Ulusal Bilim Vakfı (National Science Foundation) tarafından desteklenen ekibini, ilk olarak 500 nanometre genişliğinde ve 4 nanometre derinliğinde daireler cizerek beyaz grafende kenarlar oluşturmaya yonlendirdi.
Aygıtlar daha sonra 850 santigrat derecede oksijenle tavlanarak, iclerindeki karbon ve diğer artık malzemeler uzaklaştırıldı ve foton yayınlayan bolgeler aktif hale getirildi.
Yakın Geleceğin En Onemli Malzemesi Grafen
Grafen, son yılların şuphesiz en cok yankı uyandıran ve yakın gelecek icin en cok potansiyel vadeden malzeme. Bilim insanları, son 10 yıldır grafeni delik deşik ederek onun hakkında bir dizi şey oğrendiler.
2009 yılında keşfedilen grafen, Hollandalı -ve Rusya doğumlu- Andre Geim ve Rus kokenli İngiliz vatandaşı Konstantin Novoselov ’a birer adet Nobel Fizik odulu kazandırdı.
Bu iki dahi, yıllardır kurşun kalem ucu olarak kullandığımız ya da en fazla sanayide yapışmayı engellesin diye kalıpların icine surduğumuz grafiti ince ince kuculterek tek bir atom katmanından oluşan -yani fizikte 2 boyutlu dediğimiz- bir grafit tabakası elde ettiler. Bu altıgen orgulu tek kat grafite grafen diyoruz. Bir araya gelen grafenler 3 boyutlu grafiti oluşturur.
Soylentiye gore ikili grafitten grafen elde etmek icin bildiğimiz standart yapışkan kırtasiye bandı kullandı. Bir yapışkan bandın uzerine konulan bir miktar grafit uzerine yapıştırılıp kaldırılan bir başka bantla yavaş yavaş inceltildi. En sonunda tek bir katman -yani grafen- kalana dek surdurulen işlem sonunda, elde edilen bu 2 boyutlu malzemenin sıradışı elektronik ve mekanik ozellikler gosterdiği goruldu.
Grafenin ilginc 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. Ustelik altıgen yapının icindeki elektronlar uclara doğru gidildikce farklılaşmaya başlıyor. Grafen kuantum noktalar icine hapsedilen Dirac elektronlarının dağılım goruntusu.
“Fotoğraf: Mark Fromhold, Nottingham Universitesi. Bu bolgelerinde grafen, kutleleri sıfıra yaklaşan ve neredeyse ışık hızında hareket eden “rolativistik Dirac elektronlarına” sahip.
Bugun dunya uzerinde grafenle ilgili calışmalar; display teknolojileri, super piller ve ultra hızlı devreler konularında yoğunlaşmış durumda.
Katlanan ekranları gormeye başladık. Yakın zamanda hem hızla şarj olan hem de cok yuksek kapasitelere sahip super piller ile tanışacağız. Grafenle yapılan elektronik aygıtlar ise hali hazırda 50 GHz gibi mevcut ticari standardın 10 katından fazlasına cıkabiliyor.
Ayrıca oldukca esnek bir malzeme olması nedeniyle, mekanik dayanımı ve enerji emilimi de cok kuvvetli. Bu, nanoteknolojide, ozellikle de aktif tabakası cipin diğer bolumlerinden bağımsız ya da havada asılı duracak şekilde uretilen aygıt teknolojilerinde, buyuk bir avantaj sağlıyor.
Fotonik Kuantum Bilgisayarlara Taze Kan Desteği
Konfokal mikroskopide delinmiş bolgeler incelenirken, foton yayan cok kucuk ışık noktaları ortaya cıktı. Alemán ’ın ekibi bu noktaları daha yakından incelediğinde, tekil parlak noktaların, mumkun olan en duşuk seviyede ışık yaydığını gordu: 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 icin; kucuk, ultra hassas termometreler olarak kullanılabileceğini soyledi.
Alemán, “Bu buluşu onemli yapan şey; yapay atomları bir mikrocip icinde uretebilmenin basit ve olceklenebilir bir yolunu keşfetmiş olmamız ve yapay atomların atmosfer ortamında ve oda sıcaklığında calışabiliyor olmasıdır” dedi.
“Yapay atomlarımız bircok yeni ve guclu teknolojiyi mumkun kılacak. Gelecekte bu teknolojiyi bilim insanları, tamamen daha guvenilir ozel bir iletişim icin ya da evreni daha iyi anlayabilecek ya da hayat kurtaracak ilacları tasarlayabilecek cok daha guclu bir kuantum bilgisayar yapımında kullanabilirler.

Calışmanın 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