ماهیت کوانتومی دنیای نانو

علوم و فناوری نانو به دلیل اندازه و مقیاسی كه در آن معتبرند می توانند با بسیاری از خواص مكانیك كوانتومی در تعامل باشند. فهم بسیاری از فرآیندها در این مجموعه بدون داشتن این دانش غیر ممكن می باشد. فناوری نانو را می توان نگرش عمیق در پژوهش و تحولاتی دانست كه هدف آن كنترل رفتار و ساختار بنیادی مواد در حد اتم ها و مولكول 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 كوانتومی بهره گرفت. در ادامه به معرفی چند نمونه از کاربردهای مکانیک کوانتومی در حوزه فناوری نانو می پردازیم.

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

محاسبات كوانتومی
برای نخستین بار «ریچارد فایمن » معلم بزرگ فیزیك و برنده جایزه نوبل، پیشنهاد كرد كه باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام كوانتوم كرد كه مشكلات گذشته را برطرف می سازد و افق جدیدی را به این مجموعه می افزاید.
این پیشنهاد تا اوایل دهه 90 میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در 1994 « پیتر شور» در آمریكا نخستین گام را برای محقق كردن این آرزو برداشت.
به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه ی اطلاعات و مكانیك كوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروزه آن را محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری NANO-COMPUTING می نامیم.
در واقع هدف محاسبات كوانتومی یافتن روش هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده ی محاسبات (مانند گیت ها و ترانزیستورها) به گونه ای است كه بتوانند تحت اثرات كوانتومی، كه در محدوده ی ابعاد نانومتری و كوچكتر بروز می كنند كار كنند.

توليد مواد پليمري نانوساختار از مواد زايد

ورود به دنیای محاسبات كوانتومی نیازمند دو پیش زمینه مهم است:
نخست باید اصول اساسی و برخی تعابیر مهم مكانیك كوانتومی را به طور دقیق بررسی كرد، سپس مفهوم اطلاعات در فیزیك نیز، چه به صورت كلاسیك و چه در معنای جدید كوانتومی آن باید درك شود .
بنابراین محاسبات كوانتومی را به عنوان یك زمینه و روش جدید و بسیار كارآمد مطرح می كنند. هر سیستم محاسباتی  دارای یك پایه اطلاعاتی است كه نماینده ی كوچكترین میزان اطلاعات  قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است.
در محاسبات كلاسیك، این واحد ساختاری را بیت می نامیم كه گزیده واژه «عدد دو دویی» است زیرا می تواند تنها یكی از دو رقم مجاز صفر و یك را در خود نگه دارد.
در محاسبات كوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می شود كه آن را (QUBIT) یا بیت كوانتومی می نامیم.
هر بیت كوانتومی یا كیوبیت عبارتست از یك سیستم دو دویی كه می تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی تر، كیوبیت یك سیستم دو بعدی كوانتومی با دو پایه به شكل < 0| و <1| است. البته نمایش پایه ها یكتا نیست، به این دلیل كه بر خلاف محاسبات كلاسیك در محاسبات كوانتومی از چند سیستم كوانتومی به جای یك سیستم ارجح استفاده می كنیم.
البته اندازه گیری یك كیوبیت حتما یكی از دو نتیجه ممكن را بدست می دهد. از سوی دیگر اندازه گیری روی سیستم های كوانتومی حالت اصلی آنها را تغییر می دهد. كیوبیت در حالت كلی در یك حالت برهم نهاده از دو پایه ممكن قرار دارد.
اما در اثر اندازه گیری حتما به یكی از پایه ها برگشت می كند. به این ترتیب هر كیوبیت، 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 كه هدف آن كنترل رفتار و ساختار بنیادی مواد در حد اتم ها و مولكول 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.

ساخت نانوحسگری جهت اندازه‌گیری اگزالیک اسید

نقاط كوانتومی
نانو ذرات نیمه رسانا با خصوصیات نوری منحصر به فرد هستند، در واقع نقطه كوانتومی یك نقطه از بلور نیمه رسانا است كه الكترون ها و حفره ها یا هر دوی آن ها را در سه بعد در بر می گیرند. در نقاط كوانتومی الكترون ها درست مثل وضعیت یك اتم موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می كند؛ به همین علت در مكانیك كوانتومی به آن لفظ «اتم های مصنوعی» نیز اطلاق می شود. در نانو تكنولوژی به آن ها بیت های كوانتومی یا كیوبیت گفته می شود.

اندازه آن ها در حد چند نانومتر است. نقاط كوانتومی عموما نیمه هادی از جنس  cdse(سلنید كادمیوم) هستند كه به وسیله ی یك 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 كوانتومی که در دو بعد ولایه های کوانتومی که در یک بعد هستند، نقاط کوانتومی نانو ساختارهایی سه بعدی هستند. همچنین این تركیبات به دلیل بازده كوانتومی بالا در مصارف اپتیكی والکتریکی كاربرد زیادی دارند.
نقاط كوانتومی از دیگر مواد فلورسنت انعطاف بیشتری دارند؛ لذا از آن ها در ساخت كامپیوترهای 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 مكانیك كوانتومی پرداختیم و به طور اجمالی ایده های مرتبط با آن را بیان نمودیم. سپس به رابطه بین مكانیك كوانتومی و فناوری نانو پرداختیم و دلایل استفاده ی فناوری نانو را از قوانین مكانیك كوانتومی بیان كردیم؛ در آخر هم نمونه هایی را كه در آن ها از قوانین مكانیك کوانتومی استفاده شده بود وبا فناوری نانو مرتبط می شد را مطرح كردیم .در نتیجه اگر بخواهیم ابزارهای پیشرفت را در علوم نانو مقیاس كسب كنیم باید به فراگیری دانش مكانیك كوانتومی بپردازیم.

تعیین ماهیت پیوندهای هالوژنی به کمک میکروسکوپ نیروی اتمی

 

منبع : گروه شیمی


مقالات مرتبط

لیزر

لیزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.اولین لیزر جهان توسط…

پاسخ‌ها

lectus Lorem Phasellus vel, dolor massa facilisis leo. tristique libero felis ut