يبدو أنه مستحيل: تضغط البنية النانوية على الضوء أرق بـ 10،000 مرة من شعر الإنسان
هذا التقدم العلمي الكبير له آثار على العديد من المجالات، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الموفرة للطاقة وتكنولوجيا الكم.
حتى وقت قريب، اعتقد الفيزيائيون على نطاق واسع أنه من المستحيل ضغط الضوء تحت ما يسمى بحد الانعراج، إلا عند استخدام الجسيمات النانوية المعدنية، التي تمتص الضوء أيضًا. ونتيجة لذلك، بدا أنه من المستحيل ضغط الضوء بقوة في المواد العازلة مثل السيليكون، والتي تعتبر ضرورية لتقنيات المعلومات ولها ميزة كبيرة تتمثل في عدم امتصاص الضوء. ومن المثير للاهتمام، أنه تم إثبات نظريًا أن حد الانعراج لا ينطبق على المواد العازلة في عام 2006. ومع ذلك، لم يتمكن أحد من إثبات ذلك في العالم الفعلي نظرًا لحقيقة أنه يتطلب تقنية نانوية معقدة لم يتمكن أحد منها حتى الآن لإنشاء الهياكل النانوية العازلة المطلوبة.
أنشأ فريق بحثي من الجامعة التقنية في الدنمارك (DTU) جهازًا يُعرف باسم “التجويف النانوي العازل” الذي يركز الضوء بنجاح في حجم أصغر 12 مرة من حد الانعراج. يعد هذا الاكتشاف رائدًا في مجال البحث البصري وقد نُشر مؤخرًا في مجلة Nature Communications .
“على الرغم من أن حسابات الكمبيوتر تُظهر أنه يمكنك تركيز الضوء عند نقطة صغيرة جدًا، فإن هذا ينطبق فقط من الناحية النظرية. يقول ماركوس ألبريشتسن ، طالب دكتوراه في DTU Electro والمؤلف الأول للمقال الجديد، إن النتائج الفعلية محدودة بكيفية إجراء التفاصيل الصغيرة، على سبيل المثال، على شريحة إلكترونية.
قياس أصغر فوتون في العالم. أ) نموذج التجويف النانوي ، حيث تظهر القوة المحسوبة للمجال الكهربائي بمقياس اللون. ب) التكبير حول الشريط الضيق من المادة في بنية ربطة العنق في المركز حيث يتم ضغط الفوتونات معًا. ج) قياس المجال الكهربائي الذي يظهر عند إرسال الفوتونات إلى التجويف عن طريق تسليطه بالليزر، أي صورة مجهرية لأصغر فوتون في العالم. يُظهر الخط الأبيض مخطط البنية النانوية للمقارنة. الائتمان: DTU
“قمنا ببرمجة معرفتنا بتقنية النانو الضوئية الحقيقية وقيودها الحالية في جهاز كمبيوتر. ثم طلبنا من الكمبيوتر العثور على نمط يجمع الفوتونات في منطقة صغيرة غير مسبوقة – في تجويف نانوي ضوئي – والذي تمكنا أيضًا من بنائه في المختبر “.
التجاويف النانوية الضوئية عبارة عن هياكل تم تصميمها خصيصًا للاحتفاظ بالضوء بحيث لا ينتقل بشكل طبيعي ولكن يتم دفعه ذهابًا وإيابًا كما لو كانت مرآتان تواجهان بعضهما البعض. كلما اقتربت المرايا من بعضها البعض، زادت كثافة الضوء بينهما. في هذه التجربة، ابتكر الباحثون بنية ربطة العنق، وهي فعالة بشكل خاص في ضغط الفوتونات معًا نظرًا لشكلها الفريد.
حد الانعراج
تصف نظرية حد الانعراج أنه لا يمكن تركيز الضوء على حجم أصغر من نصف الطول الموجي في نظام بصري – على سبيل المثال، هذا ينطبق على الدقة في المجاهر.
ومع ذلك، يمكن أن تتكون الهياكل النانوية من عناصر أصغر بكثير من الطول الموجي، مما يعني أن حد الانعراج لم يعد حدًا أساسيًا. يمكن لهياكل ربطة العنق، على وجه الخصوص، ضغط الضوء إلى أحجام صغيرة جدًا محدودة بأحجام ربطة العنق، وبالتالي جودة التصنيع النانوي.
عندما يتم ضغط الضوء، يصبح أكثر كثافة، مما يعزز التفاعلات بين الضوء والمواد مثل الذرات والجزيئات والمواد ثنائية الأبعاد.
المواد العازلة
المواد العازلة للكهرباء هي عازلة كهربائيا. يعتبر الزجاج والمطاط والبلاستيك أمثلة على المواد العازلة للكهرباء، وهي تتناقض مع المعادن الموصلة للكهرباء.
مثال على مادة عازلة للكهرباء هو السيليكون، والذي يستخدم غالبًا في الإلكترونيات ولكن أيضًا في الضوئيات.
جهود متعددة التخصصات وأساليب ممتازة
يتكون التجويف النانوي من السيليكون، المادة العازلة التي تعتمد عليها التكنولوجيا الحديثة الأكثر تقدمًا. تم تطوير مادة التجويف النانوي في مختبرات غرف الأبحاث في DTU، وتم تحسين وتصميم الأنماط التي يعتمد عليها التجويف باستخدام طريقة فريدة لتحسين الهيكل تم تطويرها في DTU. تم تطويره في البداية لتصميم الجسور وأجنحة الطائرات، وهو يستخدم الآن أيضًا في الهياكل الفوتونية النانوية.
لقد تطلب الأمر جهدًا مشتركًا كبيرًا لتحقيق هذا الاختراق. لقد كان ذلك ممكنًا فقط لأننا تمكنا من الجمع بين الأبحاث الرائدة عالميًا من عدة مجموعات بحثية في جامعة DTU، “كما يقول الأستاذ المساعد سورين ستوب، الذي قاد العمل البحثي.”
اختراق هام للتكنولوجيا الموفرة للطاقة
يمكن أن يكون هذا الاكتشاف حاسمًا لتطوير تقنيات ثورية جديدة قد تقلل من كمية المكونات التي تستهلك الكثير من الطاقة في مراكز البيانات وأجهزة الكمبيوتر والهواتف وما إلى ذلك.
يستمر استهلاك الطاقة لأجهزة الكمبيوتر ومراكز البيانات في النمو، وهناك حاجة إلى بنى شرائح أكثر استدامة تستخدم طاقة أقل. يمكن تحقيق ذلك عن طريق استبدال الدوائر الكهربائية بمكونات بصرية. تتمثل رؤية الباحثين في استخدام نفس تقسيم العمل بين الضوء والإلكترونات المستخدمة للإنترنت، حيث يتم استخدام الضوء للاتصالات والإلكترونيات لمعالجة البيانات. الاختلاف الوحيد هو أنه يجب دمج الوظيفتين في نفس الشريحة، مما يتطلب ضغط الضوء بنفس حجم المكونات الإلكترونية. يظهر الاختراق في DTU أنه، في الواقع، ممكن.
يقول ماركوس ألبريشتسن: “لا شك في أن هذه خطوة مهمة لتطوير تقنية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، على سبيل المثال، أجهزة النانو للاتصالات الضوئية في مراكز البيانات وأجهزة الكمبيوتر المستقبلية – ولكن لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه”.
سيعمل الباحثون الآن على مزيد من العمل وتحسين الأساليب والمواد لإيجاد الحل الأمثل.
“الآن بعد أن أصبح لدينا النظرية والطريقة في مكانها الصحيح، سنكون قادرين على صنع فوتونات مكثفة بشكل متزايد مع تطور التكنولوجيا المحيطة. أنا مقتنع بأن هذه ليست سوى الأولى من سلسلة طويلة من التطورات الرئيسية في الفيزياء وتكنولوجيا النانو الضوئية التي تتمحور حول هذه المبادئ، “كما يقول سورين ستوب، الذي حصل مؤخرًا على منحة Consolidator Grant المرموقة من مجلس البحوث الأوروبي بقيمة 2 مليون يورو من أجل التطوير نوع جديد تمامًا من مصدر الضوء يعتمد على التجاويف الجديدة.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
