- گروه شیمی - https://www.chemgroup.ir -

ماهیت کوانتومی دنیای نانو

علوم و فناوری نانو به دلیل اندازه و مقیاسی که در آن معتبرند می توانند با بسیاری از خواص مکانیک کوانتومی در تعامل باشند. فهم بسیاری از فرآیندها در این مجموعه بدون داشتن این دانش غیر ممکن می باشد. فناوری نانو را می توان نگرش عمیق در پژوهش و تحولاتی دانست که هدف آن کنترل رفتار و ساختار بنیادی مواد در حد اتم ها و مولکول ها می باشد. همچنین بهره برداری از خواص نوظهور این گونه ساختارها ونحوه ی ساخت واستفاده از آن ها از اهداف اصلی این فناوری می باشد.
لذا می بایست برای پیشبرد بیشتر اهداف فناوری نانو از دانش مکانیک کوانتومی بهره گرفت. در ادامه به معرفی چند نمونه از کاربردهای مکانیک کوانتومی در حوزه فناوری نانو می پردازیم.

یک اتم می تواند به عنوان یک بیت حافظه در رایانه عمل کند و جا به جایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می پذیرد. ذخیره اطلاعات در رایانه ها به صورت سری هایی از بیت های با حالت های روشن و خاموش صورت می گیرد.

محاسبات کوانتومی
برای نخستین بار «ریچارد فایمن » معلم بزرگ فیزیک و برنده جایزه نوبل، پیشنهاد کرد که باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم کرد که مشکلات گذشته را برطرف می سازد و افق جدیدی را به این مجموعه می افزاید.
این پیشنهاد تا اوایل دهه ۹۰ میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در ۱۹۹۴ « پیتر شور» در آمریکا نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت.
به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه ی اطلاعات و مکانیک کوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروزه آن را محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری NANO-COMPUTING می نامیم.
در واقع هدف محاسبات کوانتومی یافتن روش هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده ی محاسبات (مانند گیت ها و ترانزیستورها) به گونه ای است که بتوانند تحت اثرات کوانتومی، که در محدوده ی ابعاد نانومتری و کوچکتر بروز می کنند کار کنند.

ورود به دنیای محاسبات کوانتومی نیازمند دو پیش زمینه مهم است:
نخست باید اصول اساسی و برخی تعابیر مهم مکانیک کوانتومی را به طور دقیق بررسی کرد، سپس مفهوم اطلاعات در فیزیک نیز، چه به صورت کلاسیک و چه در معنای جدید کوانتومی آن باید درک شود .
بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنند. هر سیستم محاسباتی  دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده ی کوچکترین میزان اطلاعات  قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است.
در محاسبات کلاسیک، این واحد ساختاری را بیت می نامیم که گزیده واژه «عدد دو دویی» است زیرا می تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد.
در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می شود که آن را (QUBIT) یا بیت کوانتومی می نامیم.
هر بیت کوانتومی یا کیوبیت عبارتست از یک سیستم دو دویی که می تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی تر، کیوبیت یک سیستم دو بعدی کوانتومی با دو پایه به شکل < 0| و <1| است. البته نمایش پایه ها یکتا نیست، به این دلیل که بر خلاف محاسبات کلاسیک در محاسبات کوانتومی از چند سیستم کوانتومی به جای یک سیستم ارجح استفاده می کنیم.
البته اندازه گیری یک کیوبیت حتما یکی از دو نتیجه ممکن را بدست می دهد. از سوی دیگر اندازه گیری روی سیستم های کوانتومی حالت اصلی آنها را تغییر می دهد. کیوبیت در حالت کلی در یک حالت برهم نهاده از دو پایه ممکن قرار دارد.
اما در اثر اندازه گیری حتما به یکی از پایه ها برگشت می کند. به این ترتیب هر کیوبیت، بیش از اندازه گیری شدن می تواند اطلاعات زیادی را در خود داشته باشد.
فناوری نانو را می توان نگرش عمیق در پژوهش و تحولاتی دانست که هدف آن کنترل رفتار و ساختار بنیادی مواد در حد اتم ها و مولکول ها می باشد، همچنین بهره برداری از خواص نوظهور این گونه ساختارها و نحوهی ساخت واستفاده از آن ها از اهداف اصلی این فناوری می باشد.

نقاط کوانتومی
نانو ذرات نیمه رسانا با خصوصیات نوری منحصر به فرد هستند، در واقع نقطه کوانتومی یک نقطه از بلور نیمه رسانا است که الکترون ها و حفره ها یا هر دوی آن ها را در سه بعد در بر می گیرند. در نقاط کوانتومی الکترون ها درست مثل وضعیت یک اتم موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می کند؛ به همین علت در مکانیک کوانتومی به آن لفظ «اتم های مصنوعی» نیز اطلاق می شود. در نانو تکنولوژی به آن ها بیت های کوانتومی یا کیوبیت گفته می شود.

اندازه آن ها در حد چند نانومتر است. نقاط کوانتومی عموما نیمه هادی از جنس  cdse(سلنید کادمیوم) هستند که به وسیله ی یک پوسته نیمه هادی دیگر از جنس  zns(سولفید روی) پوشیده شده اند و توانایی نشر نور به رنگهای مختلف را دارند. در مقایسه با سیم کوانتومی که در دو بعد ولایه های کوانتومی که در یک بعد هستند، نقاط کوانتومی نانو ساختارهایی سه بعدی هستند. همچنین این ترکیبات به دلیل بازده کوانتومی بالا در مصارف اپتیکی والکتریکی کاربرد زیادی دارند.
نقاط کوانتومی از دیگر مواد فلورسنت انعطاف بیشتری دارند؛ لذا از آن ها در ساخت کامپیوترهای نانو مقیاس بهره گیرنده از نور برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند. طی مطالبی جداگانه به بررسی نقاط کوانتومی نیز پرداختیم.

نتایج
در این مطلب در ابتدا به معرفی مکانیک کوانتومی پرداختیم و به طور اجمالی ایده های مرتبط با آن را بیان نمودیم. سپس به رابطه بین مکانیک کوانتومی و فناوری نانو پرداختیم و دلایل استفاده ی فناوری نانو را از قوانین مکانیک کوانتومی بیان کردیم؛ در آخر هم نمونه هایی را که در آن ها از قوانین مکانیک کوانتومی استفاده شده بود وبا فناوری نانو مرتبط می شد را مطرح کردیم .در نتیجه اگر بخواهیم ابزارهای پیشرفت را در علوم نانو مقیاس کسب کنیم باید به فراگیری دانش مکانیک کوانتومی بپردازیم.

 

منبع : گروه شیمی [1]