إن التقدم في معالجة الإكسيتونات المظلمة يمكن أن يمهد الطريق للجيل القادم من أنظمة الاتصالات الكمومية والأجهزة الضوئية فائقة الصغر.

طورت مجموعة بحثية من جامعة مدينة نيويورك وجامعة تكساس في أوستن طريقة لإضاءة الحالات الضوئية التي لم تكن قابلة للاكتشاف في السابق، والمعروفة باسم الإكسيتونات المظلمة، وتوجيه انبعاثها باستخدام مقياس النانو دقة. النتائج التي تم نشرها اليوم في الضوئيات الطبيعة، تشير إلى التقنيات المستقبلية التي يمكن أن تعمل بسرعة أكبر، وتشغل مساحة أقل، وتستخدم طاقة أقل بكثير.

الإكسيتونات المظلمة هي حالات غير عادية للمادة الخفيفة توجد في مواد شبه موصلة رقيقة للغاية. عادةً ما يفلتون من الكشف لأنهم يطلقون الضوء بشكل خافت فقط. على الرغم من ذلك، فهي تعتبر ذات قيمة لعلم المعلومات الكمومية والجيل القادم من الضوئيات لأنها تتفاعل مع الضوء بطرق مميزة، وتستمر لفترات طويلة، وتكون أقل تأثراً بالضوضاء البيئية، مما يقلل من عدم الترابط.

الضوء الهندسي على مقياس النانو

للكشف عن هذه الحالات المخفية، قام الباحثون ببناء تجويف بصري نانوي يجمع بين أنابيب الذهب النانوية مع ورقة واحدة من ثنائي سيلينيد التنغستن (WSe₂)، وهي مادة يبلغ سمكها ثلاث ذرات فقط. عزز هذا الهيكل الضوء المنبعث من الإكسيتونات المظلمة بنحو 300 ألف مرة، مما سمح للفريق بمراقبتها بوضوح والتحكم في سلوكها.

قال الباحث الرئيسي في الدراسة أندريا ألو، وهو أستاذ متميز وأستاذ أينشتاين للفيزياء في مركز الدراسات العليا بجامعة مدينة نيويورك والمدير المؤسس لمبادرة الضوئيات في مركز أبحاث العلوم المتقدمة في مركز الدراسات العليا بجامعة مدينة نيويورك (CUNY ASRC): “يُظهر هذا العمل أنه يمكننا الوصول إلى حالات المادة الخفيفة ومعالجتها والتي كانت بعيدة المنال في السابق”. “من خلال تشغيل هذه الحالات الخفية وإيقافها حسب الرغبة والتحكم فيها بدقة النانو، فإننا نفتح فرصًا مثيرة للتقدم المذهل للجيل القادم من التقنيات البصرية والكمية، بما في ذلك الاستشعار والحوسبة.”

ضبط الحالات الكمومية بدقة

وأظهر فريق البحث أيضًا أنه يمكن ضبط هذه الحالات المظلمة حسب الطلب باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية، مما يتيح التحكم الدقيق للتطبيقات المحتملة في الضوئيات على الرقاقة، وأجهزة الاستشعار، والاتصالات الكمومية. وعلى عكس المحاولات السابقة، يحافظ هذا النهج على الخصائص الطبيعية للمادة مع تحقيق تحسين قياسي في اقتران المادة الخفيفة.

قال جيامين كوان، المؤلف الأول للدراسة: “تكشف دراستنا عن عائلة جديدة من الإكسيتونات المظلمة المحظورة الدوران والتي لم يتم ملاحظتها من قبل”. “هذا الاكتشاف هو مجرد البداية، فهو يفتح الطريق لاستكشاف العديد من الحالات الكمومية المخفية الأخرى في المواد ثنائية الأبعاد.”

حل نقاش طويل الأمد

يحل هذا الاكتشاف أيضًا جدلًا طويل الأمد حول ما إذا كانت الهياكل البلازمونية يمكنها حقًا تعزيز الإكسيتونات المظلمة دون تغيير طبيعتها عندما تكون على اتصال وثيق. واجه المؤلفون التحدي من خلال التصميم الدقيق للبنية المتغايرة البلازمونية والإكسيتونية باستخدام طبقات رقيقة من نيتريد البورون نانومتر، وهي المفتاح لكشف النقاب عن الإكسيتونات المظلمة الجديدة التي لاحظها الفريق.

المرجع: “التعزيز والتحكم في الموقع في الإكسيتونات المظلمة المحظورة الدوران في البنية البلازمونية المتغايرة” بقلم جيامين كوان، ميشيل كوتروفو، ساروج تشاند، شيوفنغ جيانغ، زيدا ليو، إنريكي ميجيا، وي وانغ، تاكاشي تانيجوتشي، كينجي واتانابي، غابرييل جروسو، شياو تشين لي وأندريا آلو، 12 نوفمبر 2025، الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-025-01788-ث

تم دعم هذا العمل من قبل مكتب القوات الجوية للبحث العلمي، ومكتب البحوث البحرية، والمؤسسة الوطنية للعلوم.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.