يكي از آرزوهاي پژوهش‌گران فوتونیک اين است كه در همه فرآیندهای الکترونیکی از فوتون‌ها به جاي الکترون‌ها استفاده كنند اما آن‌ها تاکنون فقط نور مرئی و نور فروسرخ را بکار برده‌اند. با استفاده از نتایج یک آزمایش قدیمی که نحوه مهار پرتو ایکس (به مدت بسیار کوتاه) در برانگیختگی‌ هسته‌ای را نشان داد، به تازه‌گي روشي براي مهار یک تک فوتونِ پرتو ایکس در مجله فیزیکال ریویو لترز ارائه شده است. این روش به فوتون مهار شده اجازه می‌دهد با حفظ ویژگی‌های کوانتومی آزاد شود. این تکنیک اولین گام به سوی سیستم‌های فوتونیکی بر پایه پرتو  X است. در فضایی مورد نظر از یک سیستم فوتونیکی، استفاده از پرتو  X که طول موج کوتاه‌تری دارد موجب می‌شود سیستمی با اجزای سازنده پر انرژی‌تر داشته باشیم.

در سال ۱۹۹۶ گروهی به رهبری یوری شویدکو در دانشگاه هامبورگ موفق شدند واپاشی حالت برانگیختهٔ هسته‌ اتم آهن-۵۷ با انرژی ۱۴.۴ کیلو الکترون-ولت را به تأخیر اندازند [۱]. گروه پالس کوچکی از یک باریکه قطبیدهٔ پرتو X با انرژی ۱۴.۴ الکترون-ولت را روی یک اتم آهن-۵۷ تاباند. در حین آزمایش میدانی مغناطیسی عمود بر باریکه وجود دارد. این میدان حالت پایه هسته را به دو تراز انرژی (اختلاف انرژی دو تراز نسبت به هم کم می‌باشد) و حالت برانگیخته را به چهار تراز انرژی تقسیم می‌کند. هندسه آزمایش شرایطی را بوجود می‌آورد که از هر تراز پایه فقط به یک تراز برانگیخته مشخص می‌توان گذاری داشته باشیم. بنابراین از چهار تراز موجود دقیقاً دو تراز پر شدند. بنابراین برانگیختگی هسته یک ترکیب کوانتومی (برهم‌نهی) از این دو حالت بود. از این رو به خاطر ویژگی‌های مغناطیسی گوناگون این دو حالت، احتمال واپاشی هسته به حالت پایه (در زمان کوتاهی) بین این دو حالت نوسان می‌کند.   

چند نانو ثانیه بعد از برانگیختگی، گروه میدان مغناطیسی دیگری را عمود بر میدان اول روشن کرد. با تغییر جهت میدان مغناطیسی دوم، این میدان چهار تراز بالایی را با هم ترکیب می‌کند تا اینکه گویی برانگیختگی بین چهار تراز پخش می‌شود. شویدکو و همکارانش نشان دادند که وقتی این فرآیند درست در زمان سیکلِ نوسانی برانگیختگی انجام شود، حالتی تولید می‌کند که به آسانی نمی‌تواند واپاشی کند. با خاموش کردن میدان دوم به هسته اجازه داده می‌شود واپاشی کرده و یک فوتون پرتو X گسیل کند.

در این آزمایش انرژی فوتون‌های مهار شده با انرژی فوتون‌های اولیه یکسان بود اما ویژگی‌های کوانتومی تغییر کرده بود. برای حل این مشکل آدریانا پالفی و همکارانش در مؤسسه ماکس پلانک یک تغییر کوچک روی تکنیک پیشنهاد کردند. مشابه قبل، آن‌ها از فوتون‌های پرتو X قطبیده برای برانگیختگی هسته اتم آهن-۵۷ در حضور یک میدان مغناطیسی استفاده کردند. با تنظیم شدت باریکه و انبوه اتم‌های آهن-۵۷،  یک تک برانگیختگی هسته‌ای توسط پالس پرتو X می‌تواند تولید شود.

به جای اضافه کردن یک میدان دوم، گروه پیشنهاد کرد میدان اول را در  یک لحظه مشخص یعنی در زمان نوسان حالت برانگیخته (۱۰ نانو ثانیه بعد از پالس پرتو X) خاموش کنیم. محاسبات گروه نشان می‌دهد که برانگیختگی در یک حالت کوانتومی در اصطلاح «منجمد» می‌شود به نحوی که به روش‌ معمول واپاشی نمی‌کند. با اعمال مجدد میدان مغناطیسی بعد از یک زمان قراردادی، حالت برانگیختگه واپاشی می‌کند و یک فوتون با ویژگی‌های کوانتومی (انرژی، قطبش، فاز) یکسان با فوتون اولیه‌ای که موجب برانگیختگی می‌شود، گسیل می‌کند. طبق گفته پالفی، مهار یک فوتون پرتو X برای ۱۰۰ نانو ثانیه یا بیشتر با تمام ویژگی‌های کوانتومی حفظ شده، بایستی ممکن باشد.

پیشنهاد جدید همچنین یک امتیاز دارد. اگر میدان مغناطیسی با قطبش معکوس دوباره اعمال شود، فاز فوتون گسیل شده دقیقاً برعکس می‌شود. اگرچه این قابلیت در مقایسه با رویکردمان با فوتون‌های مرئی ساده است اما پالفی و همکارانش می‌گویند روش‌شان اولین گام به سوی سیستم‌های فوتونیکی با چنین طول موج کوتاهی است.

گِنادی سمیرنوف از مؤسسه کورچاتف در مسکو می‌گوید: روش پیشنهاد شده دقیقاً قطبش و فاز را حفظ می‌کند. اما در مورد عملی بودن این روش شک دارد. به ویژه در مورد تغییر میدان مغناطیسی به طوری که خاموش شده و با چنان سرعتی روشن می‌شود. اما نورمن شرمان از انجمن تحقیقات بین‌المللی کانادا در اوتاوا می‌گوید: روش ارائه شده «دری به سوی اپتیک کوانتومی همدوس برای پرتوهای  Xمی‌گشاید» به طوری که ممکن است برای کامپیوترهای کوانتومی آینده استفاده شود.

منبع:

Physics - Storing an X-ray Photon

مرجع:

-۱Yu. V. Shyvd’ko et al., “Storage of Nuclear Excitation Energy Through Magnetic Switching,” Phys. Rev. Lett. 77, 3232 (1996).