يمكن التحكم في النقاط الكمومية بدقة للقيام بجميع أنواع الأشياء المفيدة، حيث تخبر الفيزياء على أنه إذا إذا كان هناك طاقة ذرية، فيمكن إثارة ذلك، حيث يمكن رفع إلكترون بداخلها إلى مستوى طاقة أعلى، وعندما يعود الإلكترون إلى مستوى أدنى تصدر الذرة فوتونًا من الضوء بنفس الطاقة التي امتصتها الذرة في الأصل.
كيف تعمل النقاط الكمومية
عندما يتم تطبيق الطاقة على ذرة، يتم تنشيط الإلكترونات وتتحرك إلى مستوى أعلى، وعندما يعود الإلكترون إلى حالته المنخفضة والمستقرة، تنبعث هذه الطاقة الإضافية كضوء يتوافق مع تردد معين، حيث تعمل النقاط الكمومية بنفس الطريقة إلى حد كبير، لكن بلورة النقطة الكمومية تعمل كذرة واحدة كبيرة جدًا.
وعادةً ما يكون مصدر الطاقة المستخدم لتحفيز النقطة الكمومية هو الضوء فوق البنفسجي، حيث لا يرتبط تردد أو لون الضوء المنبعث بالمادة المستخدمة في النقطة الكمومية، ولكن بحجم النقطة الكمومية.
حجم النقطة الكمية وعلاقة اللون
تنتج النقاط الكمومية الكبيرة ضوءًا بطول موجي طويل وتنتج النقاط الكمومية الصغيرة ضوءًا بأطوال موجية صغيرة، أيضا فيما يتعلق بالألوان في الطيف المرئي، فإن هذا يعني أن النقاط الكمومية الكبيرة تنتج ضوءًا أحمر وأن النقاط الكمومية الصغيرة تنتج ضوءًا أزرق.
حيث ان الأحجام الموجودة بينها تمثل جميع الألوان الأخرى في الطيف، إذ انه من خلال الجمع بين مجموعة من أحجام النقاط الكمومية في نفس العينة يمكن إنتاج طيف الضوء بأكمله في وقت واحد ويظهر كضوء أبيض.
يعتمد اللون والطول الموجي والتردد للضوء الذي تنبعث منه الذرة على ماهية الذرة، إذ أن كرة حديد تبدو خضراء عندما تثير ذراتها من خلال حملها في لهب ساخن، بينما يبدو الصوديوم أصفر اللون، وذلك؛ بسبب الطريقة التي يتم بها ترتيب مستويات طاقتها، فالقاعدة هي أن الذرات المختلفة تعطي ألوانًا مختلفة من الضوء، وكل هذا ممكن لأن مستويات الطاقة في الذرات لها قيم محددة، بعبارة أخرى يتم تحديدها كميا.
في الصورة يتبين كيف تصنع الذرات الضوء، بعد امتصاص الطاقة، يتم ترقية الإلكترون داخل الذرة إلى مستوى طاقة أعلى بعيدًا عن النواة، وعندما تعود تعطى الطاقة كفوتون من الضوء، حيث يعتمد لون الضوء على مستويات الطاقة ويختلف من ذرة إلى أخرى.
إذ تنتج النقاط الكمومية الضوء بطريقة متشابهة؛ لأن الإلكترونات والثقوب المقيدة بداخلها تعطيها بشكل متشابه مستويات طاقة كمية منفصلة، ومع ذلك فإن مستويات الطاقة محكومة بحجم النقطة بدلاً من المادة التي صنعت منها.
حجم النقاط الكمومية
في هذه الصورة يتبين ان النقاط الكمومية الكبيرة تنتج أطوال موجية أطول من الضوء وتميل إلى أن تكون أكثر احمرارًا، حيث تنتج النقاط الكمومية الأصغر أطوال موجية أقصر وتميل إلى أن تكون أكثر زرقة.
إن النقاط الكمومية تمتلك أيضًا مستويات طاقة محددة، لكن النقاط المصنوعة من نفس المادة، على سبيل المثال، السيليكون، حيث أنها سوف ستعطي ألوانًا مختلفة من الضوء اعتمادًا على حجمها، وتُنتج أكبر النقاط الكمومية أطول موجات وأقل ترددات، بينما تُنتج أصغر النقاط أطوال موجية أقصر وترددات أعلى في الممارسة العملية.
وهذا يعني أن النقاط الكبيرة تجعل الضوء الأحمر والنقاط الصغيرة هي اللون الأزرق مع وجود نقاط متوسطة الحجم تنتج ضوءًا أخضر، والطيف المألوف للألوان الأخرى أيضًا، إذ ان تفسير ذلك بسيط، فالنقطة الصغيرة بها فجوة نطاق أكبر، وهذا هو الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترونات حتى تحمل الكهرباء عبر مادة ما.
لذلك يتطلب الأمر مزيدًا من الطاقة لإثارة الإلكترونات؛ لأن تردد الضوء المنبعث يتناسب مع الطاقة، فإن النقاط الأصغر ذات الطاقة الأعلى تنتج ترددات أعلى وأطوال موجية أقصر، وتحتوي النقاط الأكبر على مستويات طاقة متباعدة وبشكل أقرب، لذا فهي تعطي ترددات أقل وأطوال موجية أطول.
استخدامات النقاط الكمومية
التطبيقات البصرية
حتى الآن، أخذت النقاط الكمومية معظم الاهتمام، وذلك؛ لأن خصائصها البصرية مثيرة للاهتمام، إذ يتم استعمالها لكل أنواع التطبيقات التي يكون فيها التحكم الدقيق في الضوء الملون أمرًا مهمًا، وفي تطبيق واحد بسيط وتافه نسبيًا تم عمل مرشح متطور رقيق مصنوع من النقاط الكمومية بحيث يمكن تركيبه أعلى مصباح فلورسنت أو مصباح (LED) وتحويل ضوئه من اللون الأزرق إلى ظل أكثر دفئًا واحمرارًا وأكثر جاذبية مشابهًا لـ الضوء الناتج عن المصابيح المتوهجة القديمة.
يمكن أيضًا استعمال النقاط الكمومية بدلاً من الأصباغ والأصباغ، وفي الدهانات العاكسة عالية التقنية موجودة في مواد أخرى، حيث تمتص الضوء الوارد من لون واحد وتعطي ضوءًا بلون مختلف تمامًا، إذ إنها أكثر إشراقًا ويمكن التحكم فيها أكثر من الأصباغ العضوية المعروفة بالأصباغ الاصطناعية المصنوعة من المواد الكيميائية الاصطناعية.
لا يزال في عالم البصريات يتم الترحيب بالنقاط الكمومية باعتبارها تقنية اختراق في تطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة، ففي الخلية الشمسية التقليدية تقوم فوتونات ضوء الشمس بإخراج الإلكترونات من أشباه الموصلات إلى دائرة كهربائية، مما ينتج طاقة كهربائية مفيدة، لكن كفاءة العملية منخفضة للغاية، إذ تنتج النقاط الكمومية المزيد من الإلكترونات أو الثقوب لكل فوتون يصطدم بها، مما يحتمل أن يقدم دفعة في الكفاءة ربما تصل إلى 10٪ على أشباه الموصلات التقليدية.
إن أجهزة (CCD9 أجهزة مقترنة بالشحن ومستشعرات (CMOS)، وهي شرائح لاكتشاف الصور في أشياء مثل الكاميرات الرقمية وكاميرات الويب، تعمل بطريقة مماثلة للخلايا الشمسية عن طريق تحويل الضوء الوارد إلى أنماط من الإشارات الكهربائية، حيث يمكن استخدام النقاط الكمومية الفعالة لإنشاء مستشعرات صور أصغر حجمًا وأكثر كفاءة للتطبيقات التي تكون فيها الأجهزة التقليدية كبيرة جدًا وغير دقيقة.
الإحصاءات الكمية
تصبح أجهزة الكمبيوتر أسرع وأصغر كل عام، ولكن سيأتي وقت تمنعها فيه الحدود المادية للمواد من التقدم أكثر ما لم نطور تقنيات مختلفة تمامًا، حيث إن أحد الاحتمالات هو تخزين المعلومات ونقلها بالضوء بدلاً من الإلكترونات، وهي تقنية تُعرف على نطاق واسع باسم الضوئيات، إذ يمكن لأجهزة الكمبيوتر الضوئية استخدام النقاط الكمومية بنفس الطريقة التي تستخدم بها أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الترانزستورات كمكونات أساسية في رقائق الذاكرة والبوابات المنطقية.
قد تنطلق أجهزة الكمبيوتر الضوئية وقد لا تنطلق اعتمادًا على مدى التقدم الذي يحرزه علماء الكمبيوتر مع التقنيات المنافسة، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية، ففي الكمبيوتر الكمومي لا يتم تخزين البتات والأرقام الثنائية بواسطة الترانزستورات، ولكن بواسطة الذرات الفردية أو الأيونات أو الإلكترونات أو الفوتونات المرتبطة ببعضها البعض وتعمل كقطع كمومية تسمى الكيوبتات.
حيث يمكن لهذه المفاتيح ذات المقياس الكمي تخزين قيم متعددة في وقت واحد والعمل على حل مشاكل مختلفة بالتوازي، إذ انه من الصعب التحكم في الذرات الفردية وما إلى ذلك بهذه الطريقة، ولكن من السهل جدًا التعامل مع النقاط الكمومية على نطاق أكبر بكثير.
التطبيقات البيولوجية والكيميائية
تجد النقاط الكمومية أيضًا تطبيقات طبية مهمة، بما في ذلك علاجات السرطان المحتملة، حيث يمكن تصميم النقاط بحيث تتراكم في أجزاء معينة من الجسم ثم توصل الأدوية المضادة للسرطان المرتبطة بها، إن ميزتها الكبيرة هي أنها يمكن أن تستهدف أعضاء مفردة مثل الكبد بشكل أكثر دقة بكثير من الأدوية التقليدية، وبالتالي تقليل الآثار الجانبية غير السارة التي تميز العلاج الكيميائي التقليدي غير المستهدف.
تُستخدم النقاط الكمومية أيضًا بدلاً من الأصباغ العضوية في الأبحاث البيولوجية، على سبيل المثال يمكن استخدامها مثل المصابيح الكهربائية النانوية لإضاءة وتلوين خلايا معينة تحتاج إلى دراستها تحت المجهر.
كما يتم اختبارها أيضًا كمستشعرات لعوامل الحرب الكيميائية والبيولوجية مثل الجمرة الخبيثة، على عكس الأصباغ العضوية التي تعمل على نطاق محدود من الألوان وتتحلل بسرعة نسبيًا، فإن الأصباغ الكمومية شديدة السطوع ويمكن صنعها لإنتاج أي لون من الضوء المرئي وتدوم نظريًا إلى أجل غير مسمى، حيث يقال إنها قابلة للضوء.
من الواضح أن النباتات تحب الضوء وتفضل النباتات المختلفة ألوانًا مختلفة في أطوال موجية، حيث تقوم بعض الأبحاث الحديثة بتجربة استخدام النقاط الكمومية لتركيز الأضواء الملونة على النباتات لتعظيم نموها، ويمكن استخدام فكرة مماثلة لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.
