الملخص:
اكتشف الفيزيائيون في جامعة أوبورن في الولايات المتحدة أن نبضات الليزر القصيرة يمكن أن تحفز حالة استقطاب كهربائي منظمة داخل بلورة معينة، حتى لو كانت المادة في درجة حرارة أعلى وكانت المناطق المستقطبة الصغيرة في الداخل لا تزال فوضوية عادة. يوفر هذا الاكتشاف طريقة جديدة لدراسة التغيرات الكهربائية السريعة للغاية داخل المواد، وقد يساعد في استكشاف تقنيات معالجة وتخزين المعلومات فائقة السرعة في المستقبل.
يركز هذا البحث على بلورات تيتانات السترونتيوم المفردة المعدلة. تتمتع المادة بخاصية خاصة: يمكن للإلكترونات أن تتحرك داخلها، ويوجد بداخلها عدد كبير من المناطق المستقطبة الصغيرة. تتميز هذه المناطق بعدم التماثل في توزيع الشحنات الموجبة والسالبة، والتي يمكن فهمها على أنها وحدات استقطاب كهربائي صغري ذات اتجاهات مختلفة في الداخل. يطلق الباحثون على هذه المنطقة اسم "المنطقة النانوية القطبية".
في الظروف العادية، تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على محاذاة هذه المناطق المستقطبة. عندما تبرد البلورة، تتخذ المناطق الموجهة في الأصل اتجاهات أكثر انتظامًا تدريجيًا؛ وفي درجات الحرارة المرتفعة، يميلون إلى أن يكونوا في حالة أكثر اضطرابًا. ومع ذلك، فقد ناقش العلماء منذ فترة طويلة ما إذا كانت هذه الحالة المنظمة تتشكل عن طريق الإزاحة المنسقة للذرات، أو ما إذا كانت هناك مناطق مستقطبة داخل البلورة تصطف تدريجياً أثناء عملية التبريد.
التمييز بين التفسيرين ليس بالأمر السهل لأن حجم المناطق المستقطبة صغير للغاية والإشارات الناتجة ضعيفة للغاية. ترأس فريق البحث في جامعة أوبورن الفيزيائي وينكان جين، وشارك طالب الدراسات العليا محمد قنديل في التجربة الأساسية. يتولى باحثون من المعهد الياباني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة مسؤولية زراعة العينات البلورية اللازمة للتجارب.
أنشأ فريق البحث نظام قياس ليزر عالي الحساسية وقضى ما يقرب من عام بشكل مستمر في تحسين المعدات لالتقاط الإشارات الضوئية الضعيفة للغاية داخل البلورة. من خلال مراقبة استجابة البلورة للضوء الساقط، تتبع الباحثون تغيرات اتجاه المناطق المستقطبة أثناء تسخينها وتبريدها بشكل متكرر.
تظهر نتائج القياس أنه عند درجات الحرارة المرتفعة، تكون اتجاهات مناطق الاستقطاب أكثر تشتتًا؛ ومع انخفاض درجة الحرارة، فإنها تظهر تدريجيًا اتجاهات مفضلة أكثر وضوحًا. ويقدم هذا دليلًا قويًا لتفسير مهم: ربما كانت المناطق المستقطبة موجودة قبل أن يصبح الترتيب منظمًا، وقد غيرت عملية التبريد ترتيبها بشكل أساسي.
لكن الباحثين لم يتوقفوا عند ملاحظة التغيرات في درجات الحرارة. لقد حاولوا أيضًا استخدام الليزر للتحكم بشكل مباشر في مناطق الاستقطاب هذه، بحيث يمكن تحويل حالة الاستقطاب الكهربائي المضطربة في الأصل إلى حالة منظمة في وقت قصير جدًا.
سيحدث هذا الإنجاز الرئيسي في عام 2025. وقد لاحظ الباحثون أن تشعيع الليزر يمكن أن يدفع مناطق الاستقطاب ذات الاتجاهات المختلفة داخل البلورة إلى المحاذاة بسرعة. استمرت الحالة المنظمة التي يسببها الضوء حوالي 1 بيكو ثانية فقط، أو جزء من تريليون من الثانية، ثم اختفت بسرعة.
وعلى الرغم من أن ذلك لم يدم طويلاً للغاية، إلا أن الباحثين تمكنوا من اكتشاف التغيير من خلال القياسات البصرية. وهذا يعني أن الليزر لا يمكنه التأثير على الحالة الكهربائية داخل المادة فحسب، بل يمكنه أيضًا إنشاء بنية منظمة يمكن قياسها في وقت قصير جدًا.
تكمن أهمية هذه الظاهرة في أنها توفر للعلماء أداة جديدة لدراسة السلوك الكهربائي فائق السرعة داخل المواد. تعتمد الطرق التقليدية للتحكم في المواد عادةً على درجة الحرارة أو المجال الكهربائي أو غيرها من الظروف الخارجية البطيئة نسبيًا، بينما يمكن لنبضات الليزر تغيير حالة المواد في وقت قصير جدًا، مما يسمح للباحثين بمراقبة العمليات العابرة التي يصعب التقاطها بالطرق التجريبية التقليدية.
يعتقد الباحثون أن هذا الاكتشاف قد يكون مرتبطًا بتكنولوجيا معالجة وتخزين المعلومات فائقة السرعة في المستقبل. إذا تمكن العلماء من فهم كيفية استخدام نبضات الضوء بشكل أكبر لإنشاء وقراءة والتحكم في الحالات المنظمة في المواد، فستكون هناك فرص لاستكشاف أجهزة إلكترونية جديدة تستخدم الضوء كوسيلة للتحكم. ونظرًا لأن نبضات الضوء يمكن أن تعمل على المواد في فترات زمنية قصيرة للغاية، فمن المتوقع أيضًا أن يساعد هذا الاتجاه البحثي الأشخاص على فهم وتطوير العمليات الفيزيائية بشكل أسرع.
ومع ذلك، فإن التجارب الحالية لا تعني أن فريق البحث قد أنشأ ذاكرة أو معالجًا فائق السرعة يمكنه العمل بالفعل. يمكن أن تستمر الحالة المطلوبة التي يسببها الليزر حوالي 1 بيكو ثانية فقط. إن كيفية تمديد مدتها وتحقيق تحكم مستقر وقابل للتكرار ودمج هذه الظاهرة في الأجهزة الفعلية لا تزال مشكلات تحتاج إلى حل.
تم نشر نتيجة البحث هذه في مجلة "Physical Review Letters" بتاريخ 14 أكتوبر 2026. وتحمل الورقة عنوان "التحكم في الاستقطاب البصري للمعادن الكهروضوئية الكمومية عبر مرحلة انتقال النظام والاضطراب". ويقدم البحث أدلة جديدة لفهم تكوين وترتيب المناطق المستقطبة داخل البلورات، كما يوضح إمكانية استخدام نبضات الضوء لمعالجة الحالة الكهربائية للمواد.
من منظور علم المواد الأوسع، لا تكمن قيمة هذا العمل في اكتشاف ظاهرة جديدة للتحكم بالليزر فحسب، بل أيضًا في قدرة الباحثين على مراقبة والتحكم في الهياكل المجهرية داخل المواد التي يصعب اكتشافها مباشرةً بمساعدة إشارات بصرية قصيرة للغاية. في المستقبل، مع استمرار تقدم تكنولوجيا القياس وتصميم المواد، قد تساعد أساليب مماثلة العلماء على تطوير أجهزة إلكترونية جديدة ومواصلة استكشاف إمكانات تطبيق تفاعل الضوء والمادة في تكنولوجيا المعلومات.
التعليقات