يتعلم العلماء كيفية توجيه الضوء على المستوى النانوي، مسجلين أرقامًا قياسية جديدة

قدم الباحثون نهجًا مبتكرًا للإثارة مكونًا من خطوتين، مما يجعل من الممكن توليد أنماط مختلفة من البولاريتونات الزائدية بكفاءة وفصلها بوضوح.

قدم تعاون دولي بين العلماء طريقة جديدة لتوليد ومعالجة موجات الضوء المحصورة للغاية والتي تسمى بولاريتونات الفونون الزائدية ذات الترتيب العالي (HPhPs). وباستخدام هذه الطريقة، حقق الباحثون مستويات قياسية في جودة الموجة ومسافة السفر. تستفيد هذه التقنية أيضًا من الحدود المحددة بدقة لإنتاج تأثير يُعرف باسم الانكسار المزدوج الزائف، مما يسمح بفصل الموجات وتوجيهها بناءً على وضعها.

النتائج، ذكرت في الضوئيات الطبيعة، أشر إلى إمكانيات جديدة للبناء مقياس النانو المكونات البصرية التي يمكن أن تدعم المعالجة السريعة للمعلومات والاستشعار الكيميائي شديد الحساسية.

مع تزايد الطلب على الدوائر الضوئية الأصغر والأكثر كفاءة، ركز الباحثون بشكل متزايد على البولاريتونات. هذه حالات هجينة تنشأ عندما يتفاعل الضوء بقوة مع إثارات المواد مثل البلازمونات أو الفونونات. تستطيع البولاريتونات ضغط الضوء إلى أبعاد أقل بكثير من الطول الموجي المعتاد، مما يتجاوز حدود بصريات المجال البعيد التقليدية.

وقد ظل من الصعب الوصول إلى الإصدارات الأكثر تقييدًا، والمعروفة باسم بولاريتونات عالية الرتبة، لأنها تتطلب زخمًا أكبر بكثير مما يمكن أن توفره تقنيات الإثارة القياسية ذات الخطوة الواحدة.

استراتيجية من خطوتين لتعزيز الزخم

ولمواجهة هذا التحدي، قام باحثون من جامعة شنغهاي جياو تونغ والمركز الوطني لعلوم وتكنولوجيا النانو (الصين)، بالتعاون مع فرق في CIC nanoGUNE وICFO – معهد العلوم الضوئية (إسبانيا)، بتصميم طريقة إثارة على مرحلتين.

تبدأ العملية بهوائي ذهبي نانوي الحجم مضاء بالضوء، والذي يوفر دفعة أولية من الزخم. يؤدي هذا إلى إنشاء بولاريتون فونون زائدي أساسي، أو ذو ترتيب صفري، على لوح بلوري ثنائي المحور ناعم MoO3 موضوع فوق ركيزة ذهبية أحادية البلورة. ثم يتحرك البولاريتون نحو حافة الطبقة الذهبية، حيث تنتهي الركيزة فجأة، وتمتد البلورة في الهواء. عندما تواجه الموجة هذا الحد الحاد، فإنها تتبعثر، وتتحول إلى بولاريتونات فونونية ذات رتبة أعلى.

يوضح البروفيسور راينر هيلنبراند، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إن تشتيت بولاريتون الصفر عند الحدود يوفر دفعة كبيرة من الزخم اللازمة لإثارة أنماط الترتيب الأعلى”. “لقد وجدنا أن هذه الطريقة المكونة من خطوتين تعزز بشكل كبير كفاءة الإثارة مقارنة بتقنيات الإثارة التقليدية ذات الخطوة الواحدة.”

كفاءة الإثارة المحسنة هذه، جنبًا إلى جنب مع MoO المعلق بالهواء فائق النعومة ومنخفض الخسارة₃ لوح، سمح للفريق بمراقبة بولاريتونات ذات ترتيب أعلى بجودة غير مسبوقة. حققت الموجات عامل جودة قياسيًا يصل إلى 45 تقريبًا ومسافة انتشار طويلة، مما يدل على إمكانات الجيل التالي من التقنيات الضوئية.

طريقة جديدة لتوجيه ضوء النانو

النتيجة الأكثر لفتًا للانتباه لتقنية إثارة البولاريتون الجديدة هذه هي الظاهرة التي يطلق عليها الفريق اسم “الانكسار المزدوج الزائف”. عند الحدود الحادة بين الذهب والهواء، يتم فصل أوضاع البولاريتون المختلفة مكانيًا مع الحفاظ على استقطابها. ينحني الوضعان الأساسي والأعلى بزوايا مختلفة، مما يؤدي إلى انتشارهما في اتجاهات مختلفة تمامًا.

يقول البروفيسور تشينغ داي، وهو مؤلف رئيسي آخر: “لقد أنشأنا بشكل فعال وحدة تحكم في حركة المرور للضوء على المقياس النانوي”. “هذه القدرة على فرز ترتيبات مختلفة من البولاريتونات الزائدية هي أداة جديدة لتصميم دوائر فوتونية فائقة الصغر. وهي تشبه تأثير الانكسار المزدوج في بعض البلورات، ولكنها تحدث هنا دون أي تغيير في استقطاب الضوء وهي أقوى بأكثر من عشر مرات.”

يمكن تسخير هذا التأثير القوي لفرز الوضع في تعدد الإرسال بتقسيم الوضع، وهي تقنية تستخدم أشكال موجية مختلفة لنقل تدفقات بيانات مستقلة متعددة عبر دليل موج نانوي واحد، مما يزيد بشكل كبير من قدرة معالجة المعلومات. وتشمل التطبيقات المحتملة الأخرى المرشحات الضوئية الجديدة، والألواح الموجية، وأجهزة الاستشعار الحيوية شديدة الحساسية الموجودة على الرقاقة.

بشكل عام، يوفر العمل منصة أساسية لمعالجة الضوء على المستوى النانوي، مع آثار بعيدة المدى على الضوئيات النانوية المستقبلية، والاتصالات على الرقائق، وتقنيات معالجة المعلومات.

تشين أوف تشن، هانشا تي، ف. الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-025-01755-5

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.