آینده تراشههای فوتونیکی متحول میشود
پژوهشگران موسسه چهارم فیزیک دانشگاه اشتوتگارت آلمان با همکاری موسسه فناوری ایتالیا (IIT) در میلان سازوکار جدیدی برای هدایت نور در یک ماده طبیعی از نوع هایپربولیک (Hyperbolic) مبتنی بر ساختارهای لایهای واندروالسی ارائه کردهاند.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از phys.org، این روش بدون استفاده از موجبرهای متداول نانوساخت امکان هدایت مستقیم نور را فراهم میکند. نتایج این پژوهش در نشریه معتبر Nature Nanotechnology منتشر شده است.
حذف نیاز به موجبرهای پیچیده
به طور طبیعی هنگامی که نور از یک منبع موضعی منتشر میشود همانند موجهایی که پس از افتادن سنگ در آب ایجاد میشوند، به صورت کروی یا دایرهای در تمام جهات گسترش مییابد. اگرچه این رفتار، ویژگی ذاتی امواج است، اما در بسیاری از سامانههای فوتونیکی مطلوب نیست، زیرا در این کاربردها نور باید با کمترین اتلاف در مسیرهای از پیش تعیینشده حرکت کند.
در فناوریهای رایج این مشکل با استفاده از موجبرها برطرف میشود. برای مثال در ارتباطات مبتنی بر فیبر نوری رشتههای شیشهای نور لیزر را در مسیر مشخصی هدایت میکنند و در مدارهای مجتمع فوتونیکی نیز موجبرهای نانومقیاس از طریق فرآیندهای پیچیدهای مانند پوششدهی مقاوم نوری، لیتوگرافی و حکاکی ساخته میشوند. این مراحل علاوه بر پیچیدگی فنی، هزینه تولید تراشههای فوتونیکی را نیز افزایش میدهند.
اکنون تیمی به سرپرستی هارالد گیسن، استاد موسسه چهارم فیزیک دانشگاه اشتوتگارت و آنتونیو آمبروسیو پژوهشگر موسسه فناوری ایتالیا راهکاری ارائه کردهاند که نیاز به ساخت مصنوعی این موجبرها را از میان برمیدارد.
مادهای دوبعدی با ویژگیهای منحصربهفرد
پژوهشگران در این مطالعه از ماده دوبعدی اکسیدیکلرید مولیبدن (MoOCl₂) استفاده کردند. آنها با قرار دادن یک آنتن طلایی در مقیاس نانو روی سطح این ماده و تاباندن نور لیزر مادون قرمز موفق شدند امواج نوری بسیار متمرکزی تولید کنند که تنها در یک جهت حرکت میکردند.
نکته قابل توجه این است که نور بدون وجود هیچ موجبر فیزیکی به طور طبیعی در یک کانال باریک محصور باقی ماند، رفتاری که گویی یک موجبر نامرئی درون خود ماده وجود دارد.
بخش آزمایشگاهی این پژوهش توسط فرید آقاشیرینوف دانشجوی دکتری دانشگاه اشتوتگارت و آندرهآ مانچینی پژوهشگر پسادکتری موسسه فناوری ایتالیا با استفاده از میکروسکوپ نوری میدان نزدیک از نوع SNOM انجام شد.
بلور، مسیر حرکت نور را تعیین میکند
برخلاف روشهای متداول که نیازمند ایجاد ساختارهای نانومتری روی سطح مواد هستند در این روش ساختار بلوری ذاتی ماده مسیر حرکت نور را مشخص میکند.
ماده MoOCl₂ در دسته مواد دومحوره (Biaxial) قرار میگیرد، موادی که پاسخ نوری آنها در جهتهای مختلف بلوری تفاوت چشمگیری دارد. در یکی از محورهای بلور این ماده رفتاری فلزی از خود نشان میدهد و از نوسانات جمعی الکترونها موسوم به پلاسمونهای سطحی پشتیبانی میکند، پدیدهای که انتقال انرژی الکترومغناطیسی را با بازده بالا امکانپذیر میسازد.
در مقابل در محور عمود بر آن پاسخ الکترونی ماده از نوع دیالکتریک است و انتشار پلاسمونها را به شدت محدود میکند.
همین ناهمسانگردی شدید سبب میشود امواج پلاسمونی تنها در یک کانال باریک حرکت کنند، مشابه آبی که ناچار است در مسیر یک کانال جریان پیدا کند. پژوهشگران این پدیده را کانالیزه شدن پلاسمونها (Plasmon Canalization) نامیدهاند.
تغییر رفتار نور با تغییر طول موج
نتایج آزمایشها نشان داد این پدیده به طول موج نور وابستگی شدیدی دارد.
در طول موج حدود ۴ میکرومتر نور به صورت کاملا جهتدار و کانالیزه حرکت میکند، اما با افزایش طول موج به ۵ میکرومتر جبهه موج دوباره به شکل حلقهای و انتشار همسانگرد مشابه امواج آب بازمیگردد. در مقابل با کاهش طول موج به ۳ میکرومتر جبهه موج به شکل هایپربولیک باز تبدیل میشود.
به گفته پژوهشگران حالت کانالیزه را میتوان نتیجه کشیده شدن شدید یک جبهه موج بیضوی دانست. به گونهای که کانونهای بیضی عملا به بینهایت منتقل میشوند. این نتایج نشان میدهد ویژگی توپولوژیکی امواج منتشرشونده در ماده MoOCl₂ را میتوان تنها با تنظیم طول موج نور تحریککننده از حالت باز به حالت بسته و بالعکس تغییر داد و از نقطه بحرانی کانالیزه شدن عبور کرد.
چشماندازی برای نسل آینده تراشههای فوتونیکی
آزمایشهای این پژوهش با استفاده از یک لیزر مادون قرمز قابل تنظیم که توسط شرکت Stuttgart Instruments GmbH، از شرکتهای منشعب از دانشگاه اشتوتگارت توسعه یافته بود انجام شد. همچنین تصاویر میدان نزدیک با میکروسکوپ SNOM ساخت شرکت attocube systems AG، یکی دیگر از شرکتهای دانشبنیان برخاسته از محیط دانشگاهی ثبت شدند.
پژوهشگران معتقدند پدیده کانالیزه شدن پلاسمونها در مواد طبیعی هایپربولیک میتواند بستری کاملا جدید برای توسعه فوتونیک مجتمع ایجاد کند. این فناوری با حذف نیاز به موجبرهای ساختهشده از طریق لیتوگرافی علاوه بر سادهتر کردن فرآیند ساخت تراشههای فوتونیکی، امکان طراحی نسل جدیدی از اتصالات نوری، مدارهای فوتونیکی در مقیاس نانو و سامانههای یکپارچه فناوری کوانتومی را فراهم خواهد کرد.
انتهای پیام/
