نخستین بلور زمانی فوتونی جهان ساخته شد
پژوهشگران یک تیم بینالمللی برای نخستین بار در جهان موفق به ساخت و نمایش آزمایشی یک بلور زمانی فوتونی کاملاً نوری (All-Optical Photonic Time Crystal یا PTC) شدهاند، مادهای نوین که میتواند ویژگیهای نوری خود را با سرعتی بیسابقه و بهصورت مکرر در بازههای زمانی فوقالعاده کوتاه تغییر دهد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس دیلی، این پژوهش با همکاری دانشمندانی از مدرسه پلیتکنیک فرانسه، کلژ دو فرانس و مرکز پژوهشی هلمهولتز درسدن روسندورف انجام شده و نتایج آن در نشریه معتبر Nature منتشر شده است.
محققان در این مطالعه از منبع تراهرتز فوقتابشی TELBE متعلق به HZDR استفاده کردند تا ماده مورد نظر را وارد نوعی جدید و تاکنون ناشناخته از برهمکنش نور و ماده در محدوده فرکانسی تراهرتز کنند، دستاوردی که میتواند زمینهساز توسعه رایانش نوری فوقسریع، سامانههای پیشرفته مخابراتی و نسل جدیدی از لیزرهای تراهرتز باشد.
گامی تازه در کنترل رفتار نور
کنترل نحوه تعامل نور با مواد یکی از پایههای اصلی بسیاری از فناوریهای امروزی است. فیبرهای نوری اطلاعات را در شبکههای ارتباطی منتقل میکنند، لیزرها منابع دقیق نور را فراهم میکنند و حسگرهای نوری کاربرد گستردهای در شیمی، زیستشناسی و پزشکی دارند.
اکنون پژوهشگران مدرسه پلیتکنیک فرانسه تلاش میکنند این توانایی را به محدوده فرکانسی تراهرتز (THz) نیز گسترش دهند. یانیس لاپلاس، استادیار این دانشگاه به همراه تیم خود در آزمایشگاه مواد جامد پرتودهیشده (LSI) در حال توسعه تجهیزات فوتونیکی هستند که بتوانند نور را در این محدوده فرکانسی کنترل و هدایت کنند.
فرکانسهای تراهرتز تقریبا هزار برابر سریعتر از فرکانسهای رایج مورد استفاده در تجهیزات الکترونیکی هستند. به همین دلیل این محدوده به عنوان مرز میان فناوریهای الکترونیکی و فوتونیکی شناخته میشود و ظرفیت بالایی برای مشاهده، تحلیل و کنترل ماده در اختیار پژوهشگران قرار میدهد.
لاپلاس در این باره گفت: محدوده تراهرتز مرز میان فناوریهای الکترونیکی و فوتونیکی است. این حوزه فرصتهای فراوانی برای علم و جامعه ایجاد میکند، اما هنوز نسبت به فناوریهای الکترونیکی و فوتونیکی توسعه کمتری یافته است. توسعه بلورهای فوتونی میتواند به پر کردن این شکاف کمک کند.
بلور زمانی فوتونی چیست؟
بلورهای فوتونی متداول ساختارهایی نانومقیاس با آرایش منظم هستند که حرکت فوتونها را کنترل میکنند. پژوهشگران با تنظیم ضریب شکست و هندسه این مواد میتوانند عبور برخی طول موجهای نور را مسدود، منحرف یا تقویت کنند. این عملکرد از نظر مفهومی مشابه نقش نیمههادیها در کنترل حرکت الکترونها است.
پیشتر همین گروه تحقیقاتی نشان داده بود که با تغییر دما یا اعمال میدان مغناطیسی میتوان رفتار این بلورها را تغییر داد، اما این تغییرات پس از اعمال، ثابت باقی میماندند.
در پژوهش جدید دانشمندان با معرفی مفهوم بلور زمانی فوتونی محدودیت گذشته را پشت سر گذاشتند. در این سامانه ویژگیهای نوری ماده مانند بازتابندگی و فرکانس تشدید، بهصورت پویا و در مقیاس زمانی پیکوثانیه تغییر میکند؛ زمانی که با دوره نوسان خود نور قابل مقایسه است.
تینگون گوئو، دانشجوی دکتری مدرسه پلیتکنیک فرانسه و نویسنده اصلی مقاله گفت: با گسترش بلورهای فوتونی از فضا به زمان بعد جدیدی برای کنترل نور ایجاد کردهایم که مسیر تازهای برای تقویت نور و تولید لیزر فراهم میکند. این فناوری میتواند تحولی اساسی در فناوریهای نوری مبتنی بر تراهرتز و حتی فراتر از آن ایجاد کند.
ساخت فراماده پلاسمونیکی ویژه
برای دستیابی به چنین تغییرات سریعی پژوهشگران یک ساختار بسیار پیچیده موسوم به فراماده پلاسمونیکی (Plasmonic Metamaterial) طراحی کردند.
این ساختار از الگوهای طلایی در مقیاس میکرومتر تشکیل شده که روی یک لایه عایق و نیمههادی ساختهشده از ترکیب ایندیوم و آنتیموان قرار گرفتهاند. این الگوهای طلایی حفرههای کوچکی ایجاد میکنند که فوتونها را میان لایه فلزی و نیمههادی به دام میاندازند.
با تحریک سطح نیمههادی پدیدهای موسوم به پلاسمون سطحی ایجاد میشود، حالتی که در آن الکترونها بهصورت جمعی و هماهنگ نوسان میکنند. این حرکت گروهی موجب میشود ساختار بتواند نور را جذب و نوسانات آن را حفظ کند.
تغییر ویژگیهای نور در مقیاس تریلیونیم ثانیه
در مرحله بعد محققان با استفاده از منبع تراهرتز TELBE که در شتابدهنده ELBE مرکز HZDR قرار دارد پالسهای لیزری تراهرتز را به این ساختار تاباندند.
نتایج آزمایش نشان داد که ویژگیهای نوری ماده بهویژه بازتابندگی آن میتواند در مدت زمانی بسیار کوتاه و در مقیاس پیکوثانیه بهطور چشمگیری تغییر کند.
به گفته پژوهشگران دستیابی همزمان به تغییرات بسیار بزرگ و سرعت پاسخ فوقالعاده بالا تاکنون امکانپذیر نبوده است.
یان کریستوف داینرت، مدیر تاسیسات TELBE تاکید کرد: توانایی منحصربهفرد TELBE در تولید پالسهای تراهرتز پرقدرت و پایدار از نظر فاز نقش تعیینکنندهای در این موفقیت داشت. بدون چنین زیرساختی دستیابی به مدولاسیون همدوس و فوقسریع مورد نیاز برای ایجاد بلور زمانی فوتونی ممکن نبود.
نتایج تجربی این پژوهش توسط یک مدل نظری که مارکو شیرو، پژوهشگر کلژ دو فرانس و همکارانش توسعه داده بودند تایید شد.
این مدل نه تنها رفتار فوتونها درون ساختار را با دقت بازسازی کرد بلکه نشان داد مدولاسیون زمانی باعث کاهش ۵۰ درصدی اتلاف فوتونها در فراماده میشود. به این معنا که تعداد بیشتری از فوتونها در ساختار باقی میمانند و بازتاب نور افزایش مییابد.
شیرو در این باره گفت: مدل نظری ما علاوه بر بازتولید نتایج آزمایش، مبنای لازم برای هدایت پژوهشهای آینده در این حوزه را نیز فراهم میکند.
چشمانداز تولید لیزرهای نسل آینده
پژوهشگران اعلام کردند گام بعدی کاهش بیشتر اتلاف فوتونها و افزایش تعداد فوتونهای به دام افتاده در بلور است. اگر بتوان میزان تقویت نور را به اندازه کافی افزایش داد، این سامانه میتواند به پایهای برای تولید نسل جدیدی از لیزرهای فوقانعطافپذیر و قابل تنظیم تبدیل شود.
به باور محققان بلورهای زمانی فوتونی میتوانند آینده فناوریهای نوری بهویژه در محدوده تراهرتز را متحول کنند. توانایی تغییر تقریبا آنی ویژگیهای نور از جمله رنگ، شدت و سایر مشخصات آن میتواند راه را برای توسعه سامانههای نوری هوشمندتر، سریعتر و سازگارتر هموار کند.
این فناوری همچنین ظرفیت آن را دارد که در آینده در حوزههایی مانند رایانش نوری فوقسریع، تصویربرداری پزشکی، ارتباطات پرسرعت، حسگرهای پیشرفته و توسعه لیزرهای تراهرتز مورد استفاده قرار گیرد.
انتهای پیام/
