اقرأ في هذا المقال
الاهتمام بالظواهر الكمومية زادت بشكل كبير في السنوات الأخيرة؛ لأنها مسؤولة عن خصائص المواد مثل المغناطيسية والموصلية الفائقة وتوفر الأساس للعديد من تقنيات الكم الناشئة المتعلقة بالاستشعار والقياس والمعلومات الكمومية، ولاستغلال مثل هذه الظواهر بشكل أكبر مع ذلك يتطلب فهمًا تفصيليًا لكيفية تفاعل أنظمة العديد من الجسيمات الكمومية والسلوكيات التي تنشأ من مثل هذه التفاعلات.
ما المقصود بالملاقط الرقمية في فيزياء الكم
الملاقط الضوئية هي أدوات علمية تستخدم شعاع ليزر شديد التركيز لاحتجاز وتحريك الأجسام الصغيرة مثل الخلايا والذرات والجسيمات النانوية والقطرات بطريقة تشبه الملاقط.
وقد تم انشاء الملاقط الرقمية لأهميتها؛ إذ لاحظ آرثر أشكين ظاهرة الملاقط البصرية لأول مرة في السبعينيات، وفي وقت لاحق وسع ستيفن تشو هذه الأداة كطريقة لاحتجاز الذرات وفاز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1997، ففي أواخر الثمانينيات أظهر أشكين وزملاؤه أول تطبيق للملاقط الضوئية في العلوم البيولوجية، مستخدمة في اصطياد فيروس وبكتيريا فردية.
تُستخدم الملاقط البصرية الآن على نطاق واسع في العلوم البيولوجية لدراسة قوى وديناميكيات الأنظمة البيولوجية، ونظرًا للتطبيق الواسع للملاقط الضوئية في الأنظمة البيولوجية، مُنح (Ashkin) جائزة نوبل في الفيزياء عام 2018 عن هذا الاختراع.
وتستخدم أدوات الملاقط البصرية قوى ضغط إشعاع الليزر لاحتجاز الجسيمات الصغيرة، باستخدام تقنيات مختلفة، حيث يمكن بعد ذلك معالجة هذه الجسيمات المحاصرة ويمكن قياس القوى المؤثرة على الأشياء الموجودة في المصيدة.
ذرات ريدبيرج والملاقط الرقمية في فيزياء الكم
سميت الملاقط الرقمية (الضوئية) بهذا الاسم نظرًا لقدرتها على التقاط الذرات الفردية والاحتفاظ بها ووضعها بدقة في الفضاء، كل ذرة محاصرة عند وسط شعاع ليزر شديد التركيز عادة في حجم بأبعاد مايكرومتر أو أقل، وبالتالي من خلال استخدام نمط ملاقط مصمم بعناية من الممكن إنشاء مصفوفات من الذرات بهياكل محددة بدقة.
إن إمساك الملقط بالذرات ضعيف نوعًا ما لذا يجب تبريدها إلى درجة حرارة منخفضة قبل تحميلها في الملقط، ومع ذلك يؤدي التحميل الأولي عادةً إلى العديد من مواقع الملاقط الفارغة والكثير من الاضطراب، حيث يمكن بعد ذلك تحقيق الترتيب إما عن طريق إطفاء الملاقط الفارغة وإعادة تنظيم مجموعة الملقط أو باستخدام ملاقط إضافية لانتزاع الذرات من المواقع المشغولة وتحريكها لملء المواقع غير المأهولة.
وهذا يسمح لهندسة المصفوفات الذرية الخالية من العيوب ذات الهياكل المشابهة لتلك الموجودة في العديد من المواد، جنبًا إلى جنب مع الترتيبات الأكثر تعقيدًا التي لا توجد عادة في الطبيعة، وتكون التباعد الذري في مثل هذه المصفوفات ميكرومتر أكبر بكثير من المواد الصلبة النموذجية نانومتر وتفاعلاتها المتبادلة ضعيفة للغاية، ولزيادة تفاعلاتهم والتحكم فيها، يتم بعد ذلك إثارة الذرات لحالات ريدبيرج المختارة.
خصائص ذرات ريدبيرج
تمتلك الذرات التي يكون فيها إلكترونًا واحدًا متحمسًا إلى حالة ريدبيرج خصائص تختلف تمامًا عن تلك الموجودة في الذرات الموجودة في الأرض أو في حالات الإثارة المنخفضة؛ على وجه الخصوص، فهي كبيرة جدًا من الناحية البدنية، ويدور الإلكترون المثير حتى الآن بعيدًا عن بقية الذرة بحيث يمكن أن تتأثر حركته بشدة حتى بالاضطرابات الخارجية الصغيرة جدًا مثل وجود ذرة ريدبيرج المجاورة الثانية.
يمكن بعد ذلك ضبط نقاط القوة، وبالتالي التأثيرات، لتفاعلات ريدبيرج من خلال تغيير التباعد بين الذرات واختيار حالة ريدبيرج، حيث أن إحدى النتائج المهمة لمثل هذه التفاعلات هي حصار ثنائي القطب، حيث يشكل إثارة ذرة واحدة في مجموعة لحالة ريدبيرج في منطقة استبعاد تمنع إثارة أي ذرات مجاورة لنفس حالة ريدبيرج داخل بعض في نصف قطر الحصار.
استخدمت التجارب الأولية التي استغلت الملاقط الضوئية ملقطين فقط لوضع زوج من الذرات داخل نصف قطر حصار واحد من بعضها البعض، والتي شكلت بعد ذلك أساس بوابة كمومية تعتمد على ريدبيرج، وهي مكون مركزي لأي كمبيوتر كمي.
اعتمد عمل البوابة على المنطق الشرطي حيث يتحكم إثارة الذرة الثانية بإثارة الأولى، وقد أثبتت هذه البوابات قوتها وموثوقيتها، فقد أظهر العمل اللاحق باستخدام مصفوفات ملاقط أكبر أن بتات ذرة ريدبيرج، أو كيوبت، ويمكن أن توفر منصة تنافسية للحسابات الكمومية عالية الدقة مع وعد بأداء مهام تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الحديثة.
التطبيقات البارزة وابتكارات البحث الخاصة بالملاقط الضوئية
1- تم تمديد أول ملاقط رقمية لحبس الذرات وتبريدها، والتي حصلت على جائزة نوبل أخرى في عام 1997.
2- إحدى السمات الفريدة للملاقط الرقمية هي القدرة على احتجاز الخلايا المفردة والتحكم فيها، مما يسمح بدراسة الخصائص الخلوية، واستجابات الخلايا للخارج، والمحفزات وتفاعلات الخلايا الخلوية.
3- يمكن أن يؤدي حبس الجسيمات الوظيفية الأخرى أيضًا إلى تطبيقات متقدمة، مثل توصيل الأدوية والعلاج الحراري الضوئي والعرض الحجمي.
4- يتمثل أحد الابتكارات في هذا المجال في فتح أنواع جديدة من أدوات الملقط استنادًا إلى آليات مختلفة للتكيف مع التطبيقات المختلفة وتوسيع إمكانيات الملاقط البصرية التقليدية، مثل ملاقط التبريد البصري.
ما هي خطوات عمل الملاقط الرقمية للمجال البحثي
تستخدم ORTs في التطبيقات البيولوجية لتحليل الخلايا الحساسة للحرارة والجزيئات الحيوية؛ حيث يتمثل أحد القيود الرئيسية في ORTs في عدم القدرة على المعالجة ثلاثية الأبعاد، والتي نأمل في التوصل إلى طريقة للتغلب عليها.
مزايا الملاقط الرقمية التي يمكن أن تجلبها لتحليل المقياس النانوية
تعتمد ملاقط التبريد الرقمي (ORTs) على مزيج مبتكر من التبريد بالليزر والترحيل الحراري؛ على عكس الملاقط الضوئية التي تستخدم شعاع ليزر شديد التركيز لاحتجاز الأشياء، فإن ORTs تخلق مجالًا متدرجًا لدرجة الحرارة وتحبس الأشياء عبر الرحلان الحراري، حيث لا تتطلب هذه الآلية الجديدة شعاع ليزر شديد التركي ، وبالتالي تقلل من الأضرار الضوئية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتبريد الداخلي بالليزر، على عكس التحويل الشائع من الليزر إلى الحرارة، حيث أنه يتجنب الضرر الحراري الضوئي المحتمل، وهكذا تقدم ORTs نوعًا جديدًا من أدوات الملقط البصري غير الغازية.
يمكن أن توفر (ORTs) إمكانيات جديدة في تحليل الخلايا الحساسة للحرارة والجزيئات الحيوية مثل البروتينات و RNAs، والمواد الجزيئية الأخرى، والآن يمكن حصر هذه الكائنات الحيوية ودراستها خالية من التلف، بالإضافة إلى ذلك فإن الاصطياد المستقر للنقاط الكمومية والجزيئات الفلورية يعد أمرًا واعدًا أيضًا لتطبيقات التصوير الحيوي.
تستخدم الملاقط الضوئية شعاعًا من ضوء الليزر، حيث تم التركيز عليه من خلال عدسة موضوعية مجهرية لالتقاط وتحريك وتطبيق قوى معايرة على الأجسام الانكسارية المجهرية إذ أن العنصر الأكثر أهمية في المصيدة البصرية هو العدسة الشيئية، التي تركز شعاع المحاصرة في حجرة العينة.
