حبس نور فروسرخ در لایه ای اتمی و فوق نازک

در مقیاسی بسیار کوچک‌تر از یک دانه غبار، پژوهشگران کاری انجام داده‌اند که زمانی تقریباً ناممکن به نظر می‌رسید: آن‌ها نور فروسرخ را درون یک شبکه اتمی مهندسی‌شده با ضخامت تنها ۴۲ نانومتر به دام انداخته‌اند. این ضخامت حدود ۲۰۰۰ برابر کمتر از قطر موی انسان است و حتی از نازک‌ترین لایه کاغذ هم نازک‌تر است.

این دستاورد حاصل کار تیمی از دانشگاه ورشو در لهستان است و اهمیت آن فقط به زیبایی فیزیک محدود نمی‌شود. وقتی نور را بتوان در چنین فضاهای کوچکی کنترل کرد، مسیر برای دستگاه‌های فوتونیکی فشرده، سامانه‌های ارتباطی فوق‌سریع و شاید حتی آینده‌ای که در آن الکترونیک بیش از الکترون‌ها بر فوتون‌ها متکی باشد، هموارتر می‌شود.

ساختاری بسیار کوچک با مأموریتی بسیار بزرگ

ماده اصلی این آزمایش دی‌سلنید مولیبدن است که معمولاً با نام MoSe2 شناخته می‌شود. این ماده به خانواده‌ای از مواد فوق‌نازک به نام دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه یا TMDها تعلق دارد؛ موادی که به دلیل ویژگی‌های نوری و الکترونیکی غیرعادی خود، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

در این پژوهش، محققان از آرایشی لایه‌ای از اتم‌های مولیبدن و سلنیوم استفاده کردند تا یک شبکه در مقیاس نانومتری بسازند که بتواند نور فروسرخ را در جای خود نگه دارد. راز این کار در ضریب شکست بسیار بالای این ماده است؛ یعنی می‌تواند نور را نسبت به بسیاری از مواد دیگر مؤثرتر خم کند و سرعت آن را کاهش دهد. این کاهش سرعت زمانی حیاتی است که هدف، محبوس کردن نور باشد نه عبور دادن آن.

نور فروسرخ به‌ویژه کنترل دشواری دارد، زیرا طول موج آن از نور مرئی بلندتر است. هرچه طول موج بلندتر باشد، فشرده کردن آن در یک ساختار بسیار کوچک بدون از دست دادن کنترل، سخت‌تر می‌شود. عبور از این محدودیت فقط به طراحی هوشمندانه نیاز ندارد، بلکه به دقتی تقریباً جراحی‌گونه وابسته است.

تیم پژوهشی چگونه این تله را ساخت

برای ساخت لایه‌های MoSe2، تیم به رشد اپیتاکسی پرتو مولکولی روی آورد؛ روشی تولیدی که بلورها را اتم‌به‌اتم در محیطی خلأ و با کنترل بسیار بالا رشد می‌دهد. می‌توان آن را نوعی چاپ در مقیاس اتمی دانست. پس از رشد لایه‌ها، پژوهشگران نوارهای میکروسکوپی را در آن‌ها حک کردند و شکاف‌هایی باقی گذاشتند که از طول موج نور فروسرخی که می‌خواستند محبوس کنند، کوچک‌تر بود.

این شکاف‌های زیر طول موجی بسیار مهم هستند. آن‌ها به شکل‌گیری شرایط لازم برای پدیده‌ای به نام حالت مقید در پیوستار، یا BIC، کمک می‌کنند. این اصطلاح در ظاهر متناقض است و در واقع تا حدی همین‌طور هم هست. BIC حالتی است که در آن نور با وجود قرار داشتن در کنار موج‌های نوری دیگر که معمولاً باید به بیرون تابش کنند، درون ساختار به دام می‌افتد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نور خودتنظیم؛ مسیردهی فوتون ها با ترمودینامیک نوری

تصور کنید سخت‌افزار اپتیکی‌ای که برای هدایت نور نیازی به سوئیچ‌ها، سیگنال‌های کنترلی یا فرم‌ور نداشته...

همین تعادل عجیب است که این نتیجه را بسیار کاربردی می‌کند. این حالت اجازه می‌دهد نور بدون مسیرهای معمولِ فرار، در ساختار محصور بماند، البته به شرطی که ساختار با دقتی استثنایی طراحی شده باشد. پیش از ساخت دستگاه، پژوهشگران شبکه را با دقت مدل‌سازی کردند تا مطمئن شوند هندسه آن از این رفتار پشتیبانی می‌کند.

بر اساس مقاله تیم، آن‌ها از ضریب شکست بالای MoSe2 برای طراحی و ساخت شبکه‌های زیرطول‌موجی استفاده کردند که توانایی میزبانی BICها را دارند. به زبان ساده، آن‌ها راهی پیدا کردند تا یک ماده نه فقط نور را حمل کند، بلکه آن را نگه دارد.

چرا این دستاورد برای فوتونیک و رایانش مهم است

اهمیت فوری این پژوهش در فوتونیک است، حوزه‌ای که از نور برای حمل و پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. اگر بتوان نور را در مقیاس‌های بسیار کوچک به دام انداخت و دستکاری کرد، مهندسان می‌توانند دستگاه‌هایی تخت‌تر، متراکم‌تر و احتمالاً سریع‌تر برای لیزرها، کنترل جبهه موج، حسگرها و پردازش سیگنال بسازند.

رویاى بلندمدت‌تر، رایانش نوری است. به‌جای تکیه صرف بر جریان الکتریکی در مدارهای فلزی، سامانه‌های نوری از فوتون‌ها استفاده خواهند کرد. این کار می‌تواند گرما را کاهش دهد، سرعت را افزایش دهد و ابعاد قطعات را به شکل چشمگیری کم کند. البته این مسیر هنوز طولانی است. چالش‌های زیادی باقی مانده‌اند، از یکنواختی در تولید گرفته تا یکپارچه‌سازی با سخت‌افزارهای موجود. اما آزمایش‌هایی مانند این نشان می‌دهند که خودِ فیزیک دیگر آن مانع بزرگی نیست که زمانی تصور می‌شد.

همچنین یک چالش مهندسی عملی وجود دارد که نباید نادیده گرفته شود. لایه‌های MoSe2 در این مطالعه از همان ابتدا بی‌نقص نبودند. تیم مجبور شد آن‌ها را با دستمال‌های ابریشمی پرداخت کند تا ناهمواری‌ها برطرف شوند. این جزئیات شاید کوچک به نظر برسد، اما داستان واقعی نانوفناوری را نشان می‌دهد: پیشرفت اغلب به پالایش دقیق و خستگی‌ناپذیر وابسته است، نه فقط به جهش‌های بزرگ.

با این حال، پژوهشگران خوش‌بین هستند که این روش را می‌توان بهبود داد و برای دیگر مواد TMD نیز به کار گرفت. اگر چنین شود، این رویکرد می‌تواند به بستری گسترده‌تر برای کنترل نور در مقیاس نانو تبدیل شود، نه فقط یک نمایش آزمایشگاهی تک‌مرحله‌ای.

دیدگاه کارشناس

«آنچه این نتیجه را هیجان‌انگیز می‌کند فقط این نیست که نور به دام افتاده، بلکه این است که این اتفاق در سامانه‌ای ماده‌ای رخ داده که به اندازه کافی کوچک است تا در دستگاه‌های آینده اهمیت داشته باشد»، دکتر النا مارکوویچ، پژوهشگر خیالی فوتونیک، می‌گوید. «ما در حال دیدن سطحی از دقت هستیم که می‌تواند در نهایت از لیزرهای فوق‌فشرده، حسگرهای پیشرفته و مدارهای نوری یکپارچه پشتیبانی کند. چالش اکنون این است که موفقیت آزمایشگاهی را به یک فناوری قابل تکرار تبدیل کنیم.»

این همان نقطه قوت واقعی این کار است. این یک محصول نهایی نیست و قرار هم نیست چنین باشد. این پژوهش اثباتی است بر اینکه قوانین نور را می‌توان با دقت کافی، مدل‌سازی مناسب و کنترل ماده در سطح اتمی، تا حدی خم کرد. و در رقابت برای ساخت فناوری‌های کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر، این موضوع دستاوردی بسیار مهم است.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

محاسبات نوری مبتنی بر نور راه حل بحران انرژی هوش مصنوعی

محاسبات مبتنی بر نور بحران انرژی هوش مصنوعی را هدف می‌گیرد هوش مصنوعی تقاضای محاسباتی را...