وبلاگ

Newswise – بسیاری از داستان‌های رسانه‌ای رایج در مورد یک دانشمند رانده وجود دارد که لحظه «اورکا» خود را تجربه می‌کند و دنیا را تغییر می‌دهد. با این حال، واقعیت این است که نوآورانه ترین علم یک تلاش تیمی است. گرد هم آوردن محققان از مؤسسات مختلف، پیشینه‌های مختلف و علایق علمی متنوع، ایده‌ها و دیدگاه‌های جدید را قادر می‌سازد تا شکوفا شوند، مشکلات را حل کنند و علم را پیش ببرند. با در نظر گرفتن این اهداف، آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) مشارکت های استراتژیک را با نهادهای خارجی تقویت می کند. یک مثال عالی ناشی از افزایش است همکاری با دانشگاه هوارد و آزمایشگاه بروکهاون این مشارکت علاوه بر ایجاد فرصت های تحقیقاتی برای محققان، اساتید و دانشجویان در هاوارد، منجر به تأمین مالی خارجی برای تلاش های آنها شده است.

تینا بروور-توماس از دانشگاه هوارد و کنت ایوانز-لوترود از آزمایشگاه بروکهاون منبع نور ملی سنکروترون II (NSLS-II)، یک سرویس کاربر DOE، اخیراً کمک مالی 1.5 میلیون دلاری را از طریق برنامه تجهیزات دانشگاه دفاعی وزارت دفاع (DURIP) با حمایت مالی دریافت کرده است. دفتر تحقیقات نیروی دریایی. با این بودجه، آنها یک برنامه تحقیقاتی برای بررسی رشد لایه های نازک الماس کامل برای سیستم های اطلاعات کوانتومی (QIS) ایجاد خواهند کرد. Brower-Thomas، Evans-Lutterode و همکاران آنها در Brookhaven و Howard آماده هستند تا گام های مهمی در رشد این ماده بردارند، که در کاربردهایی مانند محاسبات کوانتومی، ارتباطات و حسگرها امیدوارکننده است.

Brower-Thomas توضیح داد: “دفتر تحقیقات نیروی دریایی علاقه زیادی به توسعه و حفظ ارتباطات و شبکه های امن دارد.” برخی از ویژگی‌های منحصر به فرد الماس، آن را به یکی از امیدوارکننده‌ترین نامزدها برای کاربرد کیوبیت‌ها، نحوه ذخیره اطلاعات کوانتومی و سایر فناوری‌های کوانتومی تبدیل کرده است. الماس با بالاترین کیفیت برای توسعه ارتباطات و شبکه های امن ضروری است. برخی از این خواص منحصر به فرد الماس را می توان برای ساخت مغناطیس سنج های بسیار حساس نیز استفاده کرد که می تواند اختلالات مغناطیسی ایجاد شده توسط زیردریایی های غیر دوستانه را تشخیص دهد.

قدرت مشارکت

بروور توماس مدیر اجرایی مرکز مواد کوانتومی یکپارچه (CIQM) در دانشگاه هوارد و موادی را که به رهبری بروکهاون هدایت می شود، حفظ می کند Co-Design Center for Quantum Advantage (درجه سانتیگراد²QA). او با تخصص در مواد کوانتومی، جاه طلبی دارد که بر میراث علم مواد در دانشگاه هاوارد، کارشناسی ارشد خود، بنا کند. با این بودجه، او انتظار دارد به ظرفیت آنها برای رشد مواد کوانتومی کمک کند.

کنت ایوانز-لوترود، محقق اصلی او (co-PI) در این پروژه، یک محقق در NSLS-II است. مطالعات پرتو ایکس سخت درجا و رزونانس خط پرتو (ISR). یکی از علایق تحقیقاتی او استفاده از اشعه ایکس برای مطالعه فرآیندهای رشد مواد مختلف در محل با پراش پرتو ایکس است.

با استفاده از منابع هاوارد، سی²QA، خط پرتو ISR، و DURIP، تیم تحقیقاتی به رهبری Brower-Thomas و Evans-Lutterode اکنون فرصتی برای بررسی روش‌های رشدی دارند که الماس را با خواص بهینه‌سازی شده برای کاربردهای کوانتومی تولید می‌کنند.

بروور توماس توضیح داد: “الماس بدون نقص فقط حاوی اتم های کربن در ساختار کریستالی خود است، اما زمانی که الماس فاقد اتم های کربن یا اتم های ناخالصی باشد، چیزها برای کسانی که در علم اطلاعات کوانتومی هستند جالب می شود.” از این نقص ها می توان برای ذخیره بیت هایی از اطلاعات کوانتومی استفاده کرد. به عنوان مثال، جای خالی نیتروژن با بار منفی (NV) یکی از عیوب الماس است که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است. در ساختار این نقص، یک اتم نیتروژن در کنار یک اتم کربن از دست رفته قرار دارد. این ساختار قادر است یک حالت کوانتومی با زمان همدوسی بیش از یک میلی ثانیه در دمای اتاق حفظ کند. ممکن است این زمان طولانی به نظر نرسد، اما در مقایسه با بسیاری از انواع دیگر نقایص که به عنوان کاندیدهای بیت کوانتومی (کیوبیت) در حال بررسی هستند، این یک پیشرفت قابل توجه در طول عمر است.

با این حال، برای ارائه طولانی ترین زمان انسجام، یک ماده الماس با بالاترین کیفیت به عنوان میزبان مرکز NV مورد نیاز است.

ایوانز-لوترود توضیح داد: «کرنش، تغییر شکل ناشی از کرنش، در الماس در اطراف مرکز NV نشان داده شده است که تأثیر منفی بر طول عمر حالت‌های کوانتومی دارد. با این حال، توانایی تولید فیلم‌های الماس با کیفیت بالا و بدون فشار باید به عملکرد کیوبیت بهتر منجر شود.»

QIS تنها زمینه امیدوارکننده برای این فناوری نیست. هنگامی که مراکز NV در الماس با یک میدان مغناطیسی تعامل دارند، خواص نوری به شکل قابل توجهی تغییر می کند. مرکز NV به میدان های مغناطیسی بسیار حساس است و می تواند تغییرات فضایی میدان های مغناطیسی را در مقیاس نانو اندازه گیری کند. Brower-Thomas علاقه مند به همکاری با گروه هایی است که مغناطیس سنج در مقیاس نانو را می سازند، ابزارهایی که برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی با استفاده از این نوع مرکز رنگ الماس استفاده می شوند.

برای تولید، مطالعه و بهبود عملکرد مراکز رنگی برای این کاربردها، Brower-Thomas نه تنها باید یک الماس کامل رشد دهد، بلکه قادر به نظارت بر کیفیت این فیلم ها در مقیاس اتمی نیز باشد. روش ایده آل برای این روش پراش اشعه ایکس است، روشی تحقیقاتی که نحوه پراکندگی اشعه ایکس را هنگام عبور از یک ماده کریستالی اندازه گیری می کند تا در مورد ساختار آن اطلاعات کسب کند. Evans-Lutterodt با استفاده از خط پرتو ISR قادر است رشد مواد جدید را از طریق تکنیک های مختلف پراکندگی اشعه ایکس مطالعه کند.

ایوانز-لوترود گفت: «ISR برای چالش‌های ویژه مطالعه رشد الماس مناسب است. خط پرتو با موفقیت برای مطالعه رشد در سایر سیستم های مواد چالش برانگیز مورد استفاده قرار گرفته است. رشد الماس درجه کوانتومی در یک محیط پلاسمای داغ اتفاق می‌افتد که با اکثر تشخیص‌های سنتی که می‌توانند اطلاعات بلادرنگ را در یک رابط رو به رشد ارائه دهند، دشمنی دارد. دمای نمونه ها در حدود 1000 درجه سانتیگراد است. مهمترین مزیت استفاده از اشعه ایکس این است که تحت تأثیر محیط رشد نمونه، مانند دماهای مورد نیاز در اینجا، نسبتاً تحت تأثیر قرار نمی گیرند. ما امیدواریم که این مزایا به خط پرتو ISR اجازه دهد تا دانش جدیدی را در این زمینه ارائه دهد.

قدرت پشتکار

رشد و شناسایی یک الماس درجه کوانتومی به تجهیزات تخصصی نیاز دارد، اما نه هاوارد و نه بروکهاون تمام تجهیزات حیاتی مورد نیاز را نداشتند. Brower-Thomas و Evans-Lutterode قصد دارند الماس خود را با استفاده از تکنیکی به نام رسوب شیمیایی بخار پلاسما در مایکروویو (MPCVD) رشد دهند. راکتورهای MPCVD ابزارهایی هستند که از پلاسمای داغ برای ایجاد مخلوطی از رادیکال‌های هیدروکربنی و یون‌ها استفاده می‌کنند که می‌تواند منجر به رشد الماس بر روی بسترهای مناسب شود.

برای به دست آوردن منابع لازم، این تیم در سال 2020 در طول همه گیری COVID-19 از راه دور برای نوشتن یک پیشنهاد بودجه همکاری کرد. در این دوره، محدودیت‌های کووید، فعالیت‌های تجربی شخصی را در NSLS-II محدود می‌کرد و به هر دوی آنها زمان می‌داد تا روی نوشتن پیشنهادهای تحقیقاتی تمرکز کنند. Brower-Thomas به کاربردهای QIS مواد الماس علاقه مند بود و Evans-Lutterode می خواست به مشکلات اساسی فرآیند رشد الماس بپردازد که به دلیل عدم وجود تشخیص کافی در محل رابط در حال رشد حل نشده است.

این زوج اولین پیشنهاد خود را در سال 2020 به آژانس های تامین مالی ارسال کردند، اما ناموفق بود. با این حال، این باعث نشد که تیم متوقف شود. علیرغم ناکامی اولیه، آنها راه هایی برای برقراری ارتباط موثرتر با اهداف خود پیدا کردند. تینا با همکارانش در هاوارد ارتباط برقرار کرد و پایه مهارت های تیم را قبل از انجام تلاش دوم گسترش داد.

براور-توماس گفت: «این بار ما تأکید بیشتری بر برنامه‌هایی داریم که مورد علاقه وزارت دفاع هستند. پس از ایجاد این تغییرات، دومین پرتاب در سال 2021 موفقیت آمیز بود و اکنون این تلاش توسط دفتر تحقیقات نیروی دریایی حمایت می شود. بودجه 1.5 میلیون دلاری از دو راکتور MPCVD پشتیبانی می کند، یکی در دانشگاه هوارد نصب شده و دیگری برای سازگاری با خط پرتو ISR در NSLS-II طراحی شده است.

هنگامی که آنها این تحقیق را آغاز کردند، براور-توماس برای جلسه بهار 2023 درخواست داد. برنامه بازدید از دانشکده (VFP) در Brookhaven، برنامه ای که به اعضای هیئت علمی منتخب کالج فرصتی برای همکاری با کارکنان علمی و مهندسی در پروژه ای با علاقه متقابل می دهد. با ایوانز-لوترود به عنوان میزبان او، آنها توانستند بر پایه گذاری این پروژه تمرکز کنند. VFP تنها مشارکتی نبود که به تحقیقات بیشتر براور توماس در QIS کمک کرد.

همکاری های تحقیقاتی مانند CIQM و C²QA برای گسترش مشارکت در STEM ضروری است.” من با نشستن پشت میز و شرکت در مراکز تحقیقاتی فراگیر چیزهای زیادی یاد گرفتم. آنها در را برای تحقیقات مواد کوانتومی باز کردند و بخش بزرگی از موفقیت من هستند.”

بروور-توماس همراه با همکارانش از هاوارد – سامارش گوچهایت و پراتیبا دو – قصد دارد تکنیک ها و مهارت های مورد نیاز برای رشد کریستال را به گروهی از دانش آموزان در مرحله اول پروژه در هاوارد قبل از سفر به NSLS-II معرفی کند. فاز شخصیت پردازی او قصد دارد از این فرصت به عنوان راهی برای کمک به انقلاب کوانتومی فعلی با آموزش نسل بعدی محققان کوانتومی استفاده کند.

با تبدیل رآکتور MPCVD به بخشی از زیرساخت هاوارد، اساتید و دانشجویان می توانند از آن برای به دست آوردن درک وسیعی از خواص مواد استفاده کنند. این یک دارایی ارزشمند برای دانش آموزانی است که بخشی از آن هستند برنامه کارش STEM Scholars، یک برنامه بورسیه تحصیلی از طریق هاوارد برای دانش آموزان نمونه دبیرستان. آن دسته از دانش پژوهانی که به آنها بورسیه تحصیلی کامل ارائه می شود، متعهد به دریافت مدرک دکترا هستند. در یک رشته STEM یا ترکیبی MD/Ph.D. MWPCVD در طول فعالیت‌های غنی‌سازی Karsh STEM Scholars با محققان مرتبط با این کمک هزینه استفاده خواهد شد.

براور توماس گفت: «دانشگاه هاوارد یکی از بزرگترین تولیدکنندگان دارای مدرک دکترای آفریقایی-آمریکایی از هر دانشگاهی است و تنها دانشگاه سیاهپوست تاریخی است که رتبه اول را در بین دانشگاه های ملی دارد. “این تلاش چراغی برای جامعه هوارد خواهد بود و مشارکت در این زمینه را تشویق می کند. اعضای هیئت علمی تحت حمایت این تلاش برای حمایت از ماموریت هاوارد برای آموزش و آماده سازی دانشجویان برای تحصیلات و مشاغل بیشتر در STEM توانمند خواهند شد.

ایوانز-لوترود توضیح داد: «تحقیق مواد کوانتومی گران است و ابزارهای مورد نیاز بسیار تخصصی هستند. “برای دستیابی به تحقیقات پیشرفته و در دسترس ساختن آن، ما باید این مشارکت ها را تقویت کنیم.” در برخی موارد، منابع لازم تنها در چند نقطه از جهان وجود دارد. امیدوارم افراد بیشتری متوجه شوند که دسترسی به امکاناتی مانند NSLS-II دور از دسترس نیست و می توانند از برنامه هایی مانند VFP بهره مند شوند.

آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Science.energy.gov.

BrookhavenLab@ را در رسانه های اجتماعی دنبال کنید. ما را در پیدا کنید اینستاگرام، لینکدین، توییترو فیس بوک