به نظر شما جالب نبود اگر می‌توانستیم تک‌تک اتم‌ها را کنترل کنیم؟ مثلاً تصور کنید قادر بودیم تا با روشن و خاموش‌کردن اتم‌ها، اطلاعات را در آن‌ها ذخیره کنیم، آن‌ها را به رنگ‌های مختلف درآوریم، یا به هزاران روش دیگر کنترل کنیم. متاسفانه باید گفت که چنین کاری در حال حاضر غیرممکن است؛ اما دانشمندان بهترین کار ممکن بعدی که بشود با نقاط کوانتومی (که به عنوان «اتم‌های مصنوعی» هم شناخته می‌شوند) انجام داد را کشف کرده اند. نقاط کوانتومی به زبان ساده، گروهی از اتم‌ها از جنس مواد نیمه‌رسانا هستند که تمامی صنایع از چراغ‌ها و کامپیوترهای خانگی تا سلول‌های خورشیدی را منقلب کرده اند. اما به راستی نقاط کوانتومی چه هستند و نحوه‌ی کار آن‌ها چیست؟
نقاط کوانتومی چه هستند؟
نام‌گذاری نقاط کوانتومی به این علت است که این تکه‌های بسیار ریز ماده، به قدری کوچک هستند که تنها در یک نقطه‌ی واحد متمرکز می‌شوند (یا به عبارتی تک‌بعدی است). ذرات درون نقاط کوانتومی که حامل الکتریسیته (الکترون‌ها و حفره‌ها) هستند، بنا به دلایلی محدود بوده و بنابر قوانین کوانتومی ترازهای انرژی کاملاً مشخصی دارند؛ که باعث می‌شود رفتاری مشابه با اتم‌های منفرد از خود بروز دهند.
این ذرات به معنای واقعی کلمه کوچک هستند: نقاط کوانتومی، کریستال‌هایی با پهنای چند نانومتری یا به عبارتی چند ده اتمی هستند و از حدود صد تا هزار اتم تشکیل شده اند. نقاط کوانتومی از جنس مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون (ماده‌ای که نه رسانا و نه نارسانا است، اما با دستکاری شیمیایی خواص هردو را می‌تواند بروز دهد) هستند؛ و علی رغم ساختار کریستالی‌شان، رفتاری مشابه با اتم‌های منفرد از خود بروز می‌دهند. به همین علت نیز به نام «اتم‌های مصنوعی» شناخته می‌شوند.
نقاط کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟
نقاط کوانتومی می‌توانند به خوبی کنترل‌شده و برای انجام تمام کارهای مفید استفاده شوند. بر اساس آنچه در فیزیک دوران دبیرستان آموخته ایم، می‌دانیم که اتم‌ها در صورت دریافت انرژی «برانگیخته» می‌شوند: اتم‌ها درصورت برانگیخته‌شدن به لایه‌های بالاتر انرژی منتقل می‌شوند. با بازگشت این الکترون به لایه‌های پایین‌تر، فوتون نوری با انرژی برابر با انرژی جذب‌شده توسط اتم، از آن منتشر می‌شود. رنگ (طول موج و فرکانس) نوری که یک اتم از خود منتشر می‌کند، بستگی به نوع اتم دارد. برای مثال، با برانگیختن اتم‌های آهن توسط شعله، رنگ آن‌ها سبز می‌شود، در حالی که سدیم به رنگ زرد در می‌آید. این تفاوت به دلیل نحوه‌ی سامان‌دهی سطوح انرژی در اتم‌های مختلف است. هر اتم، رنگ نشری مخصوص به خود را دارد و ممکن‌بودن این تفاوت در رنگ به علت کوانتومی بودن (داشتن مقادیر گسسته) سطح انرژی لایه‌ها است.
نقاط کوانتومی نیز با در نظر گرفتن سطوح انرژی کوانتومی در ساختارشان، از همین قانون استفاده می‌کنند. اما نقاط کوانتومی با جنس یکسان (برای مثال سیلیکون) رنگ‌های مختلفی را با توجه به اندازه‌شان منتشر می‌کنند. بزرگترین نقاط کوانتومی بلندترین طول‌موج‌ها ( و در عین حال کوتاه‌ترین فرکانس‌ها) را منتشر می‌کنند،در حالی که کوچکترین نقاط کوانتومی، کوتاه‌ترین طول موج‌ها ( وبلندترین فرکانس‌ها) را تولید می‌کنند. به معنای عامیانه‌تر، نقاط کوانتوم بزرگ رنگ قرمز، نقاط کوانتومی کوچک رنگ آبی، و نقاط کوانتومی با اندازه‌ی متوسط رنگ سبز از خود ساتع می‌کنند.
توجیه این مسئله کاملاً ساده است. نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگتری دارند (گاف انرژی به حداقل انرژی موردنیاز الکترون‌های آزاد برای انتقال الکتریسیته در طول ماده گفته می‌شود). پس به انرژی بیشتری برای خروج از ماده نیاز دارند. با توجه به متناسب‌بودن فرکانس نور نشرشده با مقدار انرژی، نقاط کوانتومی کوچک‌تر با انرژی بیشتر، فرکانس بالاتر و طول موج کمتری تولید می‌کنند که با رنگ آبی مرتبط است. در عین حال، نقاط بزرگتر، با سطوح انرژی بسیار نزدیک به هم، فرکانس‌های کوتاه‌تر و طول موجی بلندتر ایجاد می‌کنند که نشان‌دهنده‌ی رنگ قرمز است.
چه کسی برای اولین بار، نقاط کوانتومی را معرفی کرده است؟
نقاط کوانتومی برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ و توسط یک فیزیک‌دان روسی به نام الکس اسکیموف (Alexei Ekimov)، در زمینه‌ی جامد ( کریستال شیشه‌ای) کشف شد. در اواخر سال ۱۹۸۲ نیز، شیمی‌دانی آمریکایی به نام لویس بروس (Louis E. Brus) موفق به کشف پدیده‌ی مشابه در محلول‌های کلوئیدی شد. او کشف کرد که طول موج منتشر و یا جذب شده توسط نقاط کوانتومی، در طول زمان و با رشد اندازه‌ی کریستال تغییر می‌کند؛ و به این نتیجه رسید که محدودیت الکترون‌ها عامل ایجاد خواص کوانتومی در این ذرات است.
چطور می‌توان یک نقطه کوانتومی ساخت؟
نقاط کوانتومی ساختاری کریستالی دارند. پس می‌توان آن‌ها را با روش‌هایی مشابه روش ساخت هر کریستال نیمه‌هادی دیگری تولید کرد. روش‌های معمول برای ساخت نقاط کوانتومی شامل برآرایی باریکه‌ی مولکولی (Molecular Beam Epitaxy) که در آن باریکه‌ی اتم‌ها به سمت یک بیس یا سوبسترا شلیک می‌شوند تا به آرامی کریستالی واحد تشکیل دهند، ایمپلنت یونی ( که در آن اتم‌ها به صورت الکتریکی شتاب یافته و به سمت سوبسترا پرتاب می‌شوند)، و لیتوگرافی پرتو ایکس (فرآیند حکاکی در مقیاس اتمی توسط اشعه ایکس) می‌باشد. در حال حاضر نیز بعضی از محققان به دنبال کشف روش‌هایی برای ساخت نقاط کوانتومی به روش‌های زیستی (برای مثال با خوراندن فلزات به آنزیم‌ها) هستند.
نقاط کوانتومی چه کاربردهایی دارند؟
کاربردهای نوری
امروزه بیشترین شهرت نقاط کوانتومی به خاطر خواص نوری جالب آن‌ها است و برای انواع کاربردهایی که به کنترل دقیق رنگ‌های نوری نیاز دارند، استفاده می‌شوند. یکی از این کاربردهای بسیار ساده و کارآمد، ساخت فیلتری نازک از نقاط کوانتومی است که با قرارگرفتن بر سطح لامپ‌های LEDیا فلوئورسنت، رنگ نور آن‌ها را از طیف آبی به رنگ‌های گرم‌تر و جذاب‌تر مانند قرمز تبدیل می‌کند.همچنین می‌توان از نقاط کوانتومی به عنوان جایگزینی برای رنگ‌ها و پیگمان‌ها استفاده کرد. نقاط کوانتومی با قرارگیری در بافت مواد مختلف، نور با طول موج معین را جذب کرده، و نوری با رنگ کاملاً متفاوت از خود ساتع می‌کنند. این رنگ‌ها در مقایسه با انواع رنگ طبیعی (رنگ مصنوعی ساخته‌شده با مواد شیمیایی سنتتیک)، درخشان‌تر و قابل کنترل‌تر هستند.
مقاله مرتبط: ممکن است فیزیک کوانتومی حتی مرموز‌تر از آنچه که فکر می‌کنید، باشد
نقاط کوانتومی همچنین به عنوان نقطه عطفی در تکنولوژی ساخت سلول‌های خورشیدی کارآمدتر محسوب می‌شوند. در سلول‌های خورشیدی سنتی، فوتون‌های نور خورشید با خارج‌کردن الکترون از یک ماده‌ی نیمه‌رسانا و انتقال آن به یک مدار، باعث تولید انرژی مفید الکتریکی می‌شوند، اما بازده این فرآیند بسیار پایین است. نقاط کوانتومی با برخورد هر فوتون نوری، الکترون‌ها (یا حفرات) بسیار بیشتری تولید می‌کنند که همین امر منجر به افزایش چشمگیر بازده و کارآیی آن‌ها خواهد شد. چیپ‌های تشخیص تصویر در دوربین‌های دیجیتال نیز کارکردی مشابه با سلول‌های خورشیدی داشته و نور ورودی را به الگوهای سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. لذا برای ساخت حسگرهای تصویری کوچک‌تر و پربازده‌تر نیز می‌توان از نقاط کوانتومی بهره جست.
نقاط کوانتومی امروزه کاربردهایی نیز در صنعت تولید صفحات نمایش و کامپیوتری یافته اند که به علت سه مزیت مهم عنوان‌شده توسط آن‌هاست: اولاً، در LCDاهای معمول، تصویر تشکیل‌شده حاصل هماهنگی الکترونیکی فیلترهای نوری کریستال‌های آبی، قرمز و سبز رنگ است که روشن و خاموش می‌شوند. این در حالی است که نقاط کوانتومی قادر به انتشار طیف بسیار وسیع‌تری از رنگ‌ها هستند که باعث طبیعی‌ترشدن تصاویر حاصل از آن‌هاست. دوماً، انتشار نور توسط خود نقاط کوانتومی باعث می‌شود تا آن‌ها به نور پس‌زمینه احتیاجی نداشته باشند و همین امر موجب صرفه‌جویی انرژی در آن‌ها است. چنین امکانی در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل با ذخیره‌ی باتری معین، نظیر تلفن همراه بسیار حائز اهمیت است. سوماً، نقاط کوانتومی با اندازه‌ی بسیار کوچک‌ترشان نسبت به کریستال‌های مایع، تصاویری با رزولوشن بسیار بالاتر تولید می‌کنند که از درخشندگی بهتری نیز در مقایسه با تکنولوژی OLED برخوردارند.
محاسبه‌ی کوانتومی
هرساله شاهد افزایش سرعت، و کوچک‌ترشدن کامپیوترها هستیم اماهمانطور که در قانون مور نیز بررسی شد، بالاخره روزی خواهد رسید که محدودیت‌های فیزیکی مواد مانع پیشرفت این ویژگی‌ها خواهند شد و تنها راه جلوگیری از چنین اتفاقی، یافتن تکنولوژی‌های جایگزین است. یکی از احتمالات معقول برای این جایگزینی، استفاده از فوتون‌ها برای ذخیره و انتقال داده‌ها به جای الکترون‌ها است؛ که به نام «فوتونیک» شناخته می‌شود. در این رشته، نقاط کوانتومی، به عنوان اجزای پایه‌ی ذخیره‌ی اطلاعات، دقیقاً همان کاری را برای کامپیوترهای نوری انجام خواهند داد که ترانزیستورها در کامپیوترهای کنونی بر عهده دارند.
مقاله مرتبط: انجام محاسبات کوانتومی
میزان موفقت این کامپیوترها بستگی به پیشرفت دانشمندان در زمینه‌ی ساخت و توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی دارد. در کامپیوترهای کوانتومی، اتم‌ها یا یون‌های منفرد به جای ترانزیستورها وظیفه‌ی ذخیره‌ی اطلاعات را دارند و امکان فعالیت همزمان بر روی چند مسئله را فراهم می‌کنند. ناگفته نماند که کنترل اتم‌ها و یون‌ها به این روش کار چندان ساده‌ای نیست، و این در حالی است که استفاده از نقاط کوانتومی به جای آن‌ها، کار را بسیار آسان‌تر می‌کند.
کاربردهای شیمیایی و زیستی
نقاط کوانتومی امروزه در حیطه‌ی درمانی و پزشکی نیز وارد شده و کاربردهایی اعم از درمان بالقوه‌ی سرطان‌ها را یافته اند. برای مثال می‌توان آن‌ها را به گونه‌ای طراحی کرد که در نقاط مشخصی از بدن تجمع یافته و برای دارورسانی داروهای سرطانی استفاده شوند. بزرگترین مزیت نقاط کوانتومی در مقایسه با سایر انواع دارویی این است که امکان هدف‌گذاری آن‌ها تنها برای یک ارگان مشخص، مانند کبد وجود دارد و همین امر نیز باعث افزایش دقت عملکرد آن‌ها، و لذا کاهش اثرات جانبی به خصوص در شیمی‌درمانی‌ها می‌شود.
از دیگر کاربردهای نقاط کوانتومی در زمینه‌ی بیولوژی می‌توان به امکان استفاده از آن‌ها به عنوان رنگ در کارهای تحقیقاتی، و برای روشن‌کردن سلول‌های معین در زیر میکروسکوپ اشاره کرد. همچنین می‌توان از آن‌ها به عنوان حسگر برای موارد خطرناک شیمیایی و یا زیستی مانند آنتراکس استفاده نموند. رنگ‌های ساخته‌شده از نقاط کوانتومی در مقایسه با رنگ‌های معمولی، بسیار درخشان‌تر بوده، قابلیت تولید تمامی رنگ‌ها را داشته، و عمری نامتناهی دارند.
منابع
-Sabaeian, Mohammad; Khaledi-Nasab, Ali (2012-06-20). “Size-dependent intersubband optical properties of dome-shaped InAs/GaAs quantum dots with wetting layer”. Applied Optics. 51 (18): 4176–۴۱۸۵. arXiv:1306.6400 Freely accessible. Bibcode:2012ApOpt..51.4176S. doi:10.1364/AO.51.004176. ISSN 2155-3165.
-Khaledi-Nasab, Ali; Sabaeian, Mohammad; Sahrai, Mostafa; Fallahi, Vahid (2014). “Kerr nonlinearity due to intersubband transitions in a three-level InAs/GaAs quantum dot: the impact of a wetting layer on dispersion curves”. Journal of Optics. 16 (5): 055004. Bibcode:2014JOpt…16e5004K. doi:10.1088/2040-8978/16/5/055004. ISSN 2040-8986.
-Ashoori, R. C. (1996). “Electrons in artificial atoms”. Nature. 379 (6564): 413–۴۱۹. Bibcode:1996Natur.379..413A. doi:10.1038/379413a0.
-Kastner, M. A. (1993). “Artificial Atoms”. Physics Today. 46 (1): 24–۳۱. Bibcode:1993PhT….46a..24K. doi:10.1063/1.881393.
– Murray, C. B.; Kagan, C. R.; Bawendi, M. G. (2000). “Synthesis and Characterization of Monodisperse Nanocrystals and Close-Packed Nanocrystal Assemblies”. Annual Review of Materials Research. 30 (1): 545–۶۱۰. Bibcode:2000AnRMS..30..545M. doi:10.1146/annurev.matsci.30.1.545.
-Brus, L.E. (2007). “Chemistry and Physics of Semiconductor Nanocrystals” (PDF). Retrieved 7 July 2009.
– “Quantum Dots”. Nanosys – Quantum Dot Pioneers. Retrieved 2015-12-04.
– Ramírez, H. Y., Flórez J., and Camacho A. S., (2015). “Efficient control of coulomb enhanced second harmonic generation from excitonic transitions in quantum dot ensembles”. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (37): 23938. Bibcode:2015PCCP…1723938R. doi:10.1039/C5CP03349G.
-Kolobkova, E. V.; Nikonorov, N. V.; Aseev, V. A. (2012). “Optical Technologies Silver Nanoclusters Influence on Formation of Quantum Dots in Fluorine Phosphate Glasses”. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 5 (12).
-Brus, L. E. (1984-05-01). “Electron–electron and electron‐hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state”. The Journal of Chemical Physics. 80 (9): 4403–۴۴۰۹. Bibcode:1984JChPh..80.4403B. doi:10.1063/1.447218. ISSN 0021-9606.
– Walling, M. A.; Novak, Shepard (February 2009). “Quantum Dots for Live Cell and In Vivo Imaging”. Int. J. Mol. Sci. 10 (2): 441–۴۹۱. doi:10.3390/ijms10020441. PMC 2660663 Freely accessible. PMID 19333416.
-Michalet, X.; Pinaud, F. F.; Bentolila, L. A.; Tsay, J. M.; Doose, S.; Li, J. J.; Sundaresan, G.; Wu, A. M.; Gambhir, S. S.; Weiss, S. (2005). “Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging, and Diagnostics”. Science. 307 (5709): 538–۴۴. Bibcode:2005Sci…307..538M. doi:10.1126/science.1104274. PMC 1201471 Freely accessible. PMID 15681376.
– Juan Carlos Stockert, Alfonso Blázquez-Castro (2017). “Chapter 18 Luminescent Solid-State Markers”. Fluorescence Microscopy in Life Sciences. Bentham Science Publishers. pp. 606–۶۴۱. ISBN 978-1-68108-519-7. Retrieved 24 December 2017.
-Kim, Gi-Hwan; Arquer, F. Pelayo García de; Yoon, Yung Jin; Lan, Xinzheng; Liu, Mengxia; Voznyy, Oleksandr; Yang, Zhenyu; Fan, Fengjia; Ip, Alexander H. (2015-11-02). “High-Efficiency Colloidal Quantum Dot Photovoltaics via Robust Self-Assembled Monolayers”. Nano Letters. 15 (11): 7691–۷۶۹۶. Bibcode:2015NanoL..15.7691K. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03677. PMID 26509283.
