7 دقیقه
پژوهشگران روشی جدید برای خارج کردن بخشی از طیف الکترومغناطیسی که پیشتر دسترسی به آن دشوار بود، از مواد کوانتومی عجیب ارائه کردهاند. با ترکیب عایقهای توپولوژیک (topological insulators) و نانوساختارهای طراحیشده با دقت، تیم آزمایشی توانست هارمونیکهای زوج و فرد در ناحیه تراهرتز را مشاهده کند — دستاوردی که میتواند منابع تراهرتز را کوچکتر کند و کاربردهای متنوعی در ارتباطات بیسیم، آشکارسازی، تصویربرداری و دستگاههای کوانتومی تسریع نماید. این پیشرفت مسیر جدیدی برای تولید تراهرتز فشرده، قابل تنظیم و مناسب برای یکپارچهسازی روی تراشه باز میکند.
چرا تقارن برای تولید هارمونیک مرتبه بالا اهمیت دارد
تولید هارمونیک مرتبه بالا (High-order harmonic generation یا HHG) یک فرایند نوری غیرخطی است که نور ورودی را به امواجی در مضارب صحیح فرکانس اولیه تبدیل میکند. پژوهشگران از HHG برای دستیابی به نواحی طیفی استفاده میکنند که ابزارهای اپتیکی رایج به آنها دسترسی ندارند. با این حال کارایی و نوع هارمونیکهای تولیدشده بهشدت وابسته به تقارن ساختار ماده است؛ ویژگیای که در فیزیک مواد و اپتیک غیرخطی نقش تعیینکنندهای ایفا میکند.
مواد با تقارن وارونگی کامل — که گرافن نمونه برجستهای از آن است — معمولاً تنها هارمونیکهای فرد را تقویت میکنند. هارمونیکهای زوج بهدلیل وجود تقارن درونی سرکوب میشوند؛ چرا که پاسخ غیرخطی لازم از بین میرود یا با قطعات دیگر همفاز خنثی میگردد. این محدودیت پالت هارمونیکی را برای فوتونیک تراهرتز ناقص میگذارد؛ ناحیهای از طیف که بهدلیل نفوذپذیری نسبتاً خوب مواد، کاربردهای گسترده در تصویربرداری، طیفسنجی و سیستمهای بیسیم نسل آینده دارد.
عایقهای توپولوژیک و نانوساختارها: راهحلی هوشمندانه
تیمی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور Miriam Serena Vitiello نشان دادند که عایقهای توپولوژیک میتوانند این قید تقارنی را بشکنند. عایقهای توپولوژیک دستهای از مواد کوانتومی هستند که در حجم (bulk) رفتار عایق دارند ولی در سطوح یا کنارهها حاملهای بار را هدایت میکنند؛ حالتهای سطحی این مواد توسط توپولوژی ماده و کوپلینگ اسپین-مداری محافظت میشوند. این خواص ویژه، عایقهای توپولوژیک را میدان مناسبی برای تعاملات نامتعارف نور-ماده و اثرات غیرخطی پیشرفته میسازد.
برای تقویت این تعاملات، محققان آرایههایی از رزوناتورهای حلقه شکافته (split ring resonators یا SRR) را الگوگذاری کردند و فیلمهای نازکی از Bi2Se3 و هترواستراکچرهای ون در والس (van der Waals) شامل (InxBi1-x)2Se3 را بر روی آنها قرار دادند. رزوناتورهای حلقه شکافته مانند آنتنهای میکروسکوپی عمل میکنند و میدان تراهرتز ورودی را در لایههای TI متمرکز مینمایند؛ این تمرکز میدان محلی، شدت میدان الکتریکی مؤثر را بالا میبرد و در نتیجه غیرخطیتر شدن پاسخ ماده را تسهیل میکند. وقتی این دستگاههای هیبریدی تحت پمپ لیزر آبشاری کوانتومی تراهرتز (quantum cascade laser یا QCL) با توان 2.5 وات قرار گرفتند، هم هارمونیکهای زوج و هم فرد تولید شدند — پدیدهای نادر و تأییدشده تجربی در ناحیه تراهرتز.
آنچه آزمایشها نشان دادند
تیم آزمایشی تبدیل فرکانسی (frequency up-conversion) را ثبت کرد که شامل یک هارمونیک زوج در 6.4 تراهرتز و یک هارمونیک فرد در 9.7 تراهرتز بود. تولید همزمان این هارمونیکها نشان میدهد که هر دو پاسخ متقارن حجمی (bulk) و حالتهای سطحی نامتقارن عایق توپولوژیک در فرایند HHG سهم دارند. به عبارت دیگر، سطح ماده بهصورت محلی تقارن وارونگی را میشکند در حالی که حجم داخلی ممکن است سایر تقارنها را حفظ کند؛ ترکیب این دو باعث ظهور طیف هارمونیکی کاملتر و متنوعتر میگردد.
این نتایج نخستین شواهد تجربی واضح را ارائه میکنند که حالات سطحی توپولوژیکی میتوانند برای تولید هارمونیکهای پیچیده در حوزه تراهرتز بهکار گرفته شوند. این یافتهها پیشبینیهای نظری را تأیید کرده و مسیر عملی برای ساخت منابع تراهرتز جمعوجور و قابل تنظیم باز میکنند. از نظر متدولوژی، اندازهگیریها شامل طیفسنجی فرکانسی با آشکارسازهای حساس به تراهرتز و آنالیز شدت نسبی هارمونیکها بود که اطلاعاتی درباره کارایی تبدیل و وابستگی به پارامترهای هندسی رزوناتور فراهم کرد.
تأثیرات دنیای واقعی: منابع تراهرتز قابل تنظیم و ارتباطات سریعتر
چرا این موضوع مهم است؟ منابع تراهرتز فشرده و قابل تنظیم مدتها است که بهعنوان یک مؤلفه کلیدی برای چندین فناوری در حال رشد مورد تقاضا بودهاند. منابعی که بتوانند بر روی تراشه تولید شوند و فرکانس آنها با هندسه یا میدان پمپ تغییر کند، چشمانداز جدیدی برای کاربردهای عملی باز میکنند. برخی از کاربردهای بالقوه شامل موارد زیر است:
- ارتباطات بیسیم نسل آینده (مانند فراتر از 5G/6G) که از باندهای حامل تراهرتز برای نرخهای داده فوقالعاده بالا بهره میبرند؛ تراهرتز میتواند پهنای باند بسیار گستردهتری نسبت به فرکانسهای سنتی فراهم کند و امکان ارتباطات بیسیم با ظرفیت زیاد را مهیا سازد.
- تصویربرداری پزشکی غیرتهاجمی و اسکنرهای امنیتی که از نفوذ تراهرتز به مواد مختلف برای آشکارسازی عیوب، بافتها یا اشیاء پنهان استفاده میکنند؛ تراهرتز میتواند بین تصویربرداری رادیویی و نوری جایگاهی منحصر به فرد ایجاد کند.
- قطعات و حسگرهای اپتوالکترونیک فوقفوراً سریع که از تولید تراهرتز بر روی تراشه برای تأمین سیگنالهای حامل یا ساعتهای فرکانسی بهره میگیرند؛ این موضوع میتواند در توسعه مدارهای فوقسریع و حسگرهای زمانپاسخ سریع نقش داشته باشد.
- پلتفرمهای اطلاعات کوانتومی که نیازمند کنترل دقیق بر همآهنگی نور-ماده در مقیاس نانومتری هستند؛ منابع تراهرتز قابل تنظیم میتوانند برای رانش حالتهای کوانتومی یا خوانش کوبیتها در برخی طرحهای کوانتومی مفید باشند.
ترکیب لیزرهای QCL پمپی، مواد توپولوژیک و نانورزوناتورهای همفراز به توسعه امیترهای تراهرتز فرکانس-قابل تنظیم و مینیاتوری منجر میشود که میتوان آنها را در تجهیزات آزمایشگاهی یکپارچه کرد و در نهایت در دستگاههای قابلحمل نیز به کار گرفت. از منظر مهندسی، چالشهای پیشِ رو شامل بهبود راندمان تبدیل (conversion efficiency)، پایداری حرارتی، و همسوسازی فرکانسی در نمونههای تولیدی است.
بینش کارشناسانه
«این کار نشان میدهد چگونه توپولوژی ماده میتواند بهعنوان یک اهرم برای دسترسی به بخشهایی از طیف که قبلاً غیرعملی به نظر میرسیدند، به کار رود»، دکتر Elena Marconi، فیزیکدان کاربردی متخصص دستگاههای تراهرتز، میگوید. «با مهندسی همزمان هندسه نانومقیاس و حالات کوانتومی سطح، پژوهشگران درجات آزادی جدیدی را برای طراحی دستگاه باز کردند. گام بعدی بهبود بازده تبدیل و یکپارچهسازی این ساختارها با پلتفرمهای نیمههادی استاندارد است.»
حرکت به جلو، این حوزه بر بهینهسازی ترکیب هترواستراکچرها، هندسه رزوناتورها و شرایط پمپاژ متمرکز خواهد شد تا بازده هارمونیک و پایداری دستگاه را به حداکثر برساند. بهعنوان مثال، تغییر ترکیب ایندیم در (InxBi1-x)2Se3 میتواند باند گپ و خواص سطحی را تنظیم کند، در حالی که تغییر ابعاد SRRها فرکانسهای طنین را بهبود میبخشد. علاوه بر این، مطالعه رفتار دمایی، اثرات ناهمگنی ساختاری و تعاملات الکترون-فوتون در مدلهای نظری و شبیهسازیهای چند-مقیاسی اهمیت خواهد داشت.
اگر این مسیر تحقیقاتی موفق شود، ژنراتورهای تراهرتز مبتنی بر TI کوچک و قابلاتکا میتوانند تبدیل به ابزار عملی برای دانشمندان و مهندسان فعال در تقاطع فوتونیک، الکترونیک و مواد کوانتومی شوند. این ابزارها نهتنها پژوهش بنیادی را پیش میبرند بلکه کاربردهای صنعتی و پزشکی جدیدی نیز پدید خواهند آورد.
منبع: scitechdaily
نظرات
سفررو
خلاصه اینکه مسیر جذابی باز شده؛ منابع تراهرتز روی تراشه اگه عملی بشن، اپتو-الکترونیک رو تکون میده، ولی راه طولانیه
لابکور
من تو آزمایشگاه با SRRها کار کردم، تمرکز میدان واقعاً جهش میده اما همتراز کردن لایههای TI کلی دردسر داره، تجربه شخصی.
توربو
بسیار جالب اما یه ذره اغراق شده بنظرم؛ بازده تبدیل هنوز پایینه و مشکلات مهندسی زیاده ، تا وقتی کارا نشن بزرگنماییه
رمزبان
واقعاً تونستن هر دو هارمونیک رو همزمان تولید کنن؟ شبیه پیشبینی تئوریه ولی من نگران نویز و دما هستم، آیا تکرارش پذیره؟
دیتاپالس
وای، انتظار نداشتم تو تراهرتز همچین چیزی ببینم! این ترکیب توپولوژی و SRRها برام واقعا شوکهکننده است...
ارسال نظر