اقترح فريق بحثي بقيادة البروفيسور تشانغ شوانغ، الرئيس المؤقت لقسم الفيزياء في جامعة هونغ كونغ، والبروفيسور داي تشينغ من المركز الوطني الصيني لعلوم وتكنولوجيا النانو، حلاً لمشكلة شائعة في مجال الضوئيات النانوية - دراسة الضوء على نطاقات صغيرة للغاية. نُشرت نتائج أبحاثهم مؤخرًا في المجلة الأكاديمية الشهيرة "Nature-Materials"، واقترحوا طريقة موجة التردد المعقدة الاصطناعية (CFW) لحل مشكلة الفقد البصري في انتشار البولارون.
توفر هذه النتائج حلولاً عملية مثل استخدام أجهزة تعتمد على الضوء أكثر كفاءة في أجهزة مثل شرائح الكمبيوتر وأجهزة تخزين البيانات لتمكين تخزين البيانات ومعالجتها بشكل أسرع وأكثر إحكاما، ولتحسين دقة أجهزة الاستشعار وتكنولوجيا التصوير وأنظمة الأمان.
تتمتع بولاريتونات البلازمون السطحي وبولاريتونات الفونون بمزايا تخزين الطاقة بكفاءة، وتعزيز المجال المحلي، والحساسية العالية، وذلك بفضل قدرتها على حصر الضوء في نطاقات صغيرة. ومع ذلك، فإن تطبيقاتها العملية تعوقها مشكلة الفقد الأومي، والتي تسبب تبديد الطاقة عند التفاعل مع المواد الطبيعية.
وقد أعاق هذا القيد تطوير الضوئيات النانوية للاستشعار والتصوير الفائق والدوائر الضوئية النانوية على مدى العقود الثلاثة الماضية. سيؤدي التغلب على الخسائر الأومية إلى تحسين أداء الجهاز بشكل كبير، وبالتالي تمكين تطوير تقنيات الاستشعار والتصوير عالي الدقة والدوائر الضوئية النانوية المتقدمة.
أوضح البروفيسور تشانغ شوانغ، المؤلف المقابل للورقة البحثية، محور البحث: "من أجل حل مشكلة الفقد البصري في التطبيقات الرئيسية، اقترحنا حلاً عمليًا. باستخدام إثارة موجة معقدة اصطناعية جديدة، يمكننا تحقيق كسب افتراضي لتعويض الفقد الجوهري لنظام البولاريتون. وللتحقق من هذه الطريقة، طبقناها على نظام انتشار الفونون بولاريتون ولاحظنا تحسنًا كبيرًا في انتشار البولاريتون."
وأضاف الدكتور Guan Fuxin، المؤلف الأول للورقة البحثية وزميل ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة هونغ كونغ: "لقد أظهرنا هذه الطريقة من خلال إجراء تجارب في نطاق التردد البصري باستخدام مواد فونون بولاريتون مثل هيدريد البورون وأكسيد الموليبدينوم. وكما هو متوقع، حصلنا على مسافات انتشار بدون فقدان تقريبًا، وهو ما يتوافق مع التنبؤات النظرية".
نهج متعدد التردد للتغلب على الخسارة البصرية
في هذه الدراسة، قام فريق البحث بتطوير طريقة جديدة متعددة الترددات لحل مشكلة فقدان الطاقة في انتشار البولارون. واستخدموا نوعًا خاصًا من الموجات يسمى "موجة التردد المعقدة" لتحقيق كسب افتراضي وتعويض الخسائر في النظام البصري. تحافظ الموجات العادية على سعة أو شدة ثابتة مع مرور الوقت، في حين تظهر موجات التردد المعقدة كلا من التذبذب والتضخيم. تسمح هذه الميزة بتمثيل أكثر اكتمالاً لسلوك الموجة وتعويض فقدان الطاقة.
على الرغم من أن التردد عادة ما يتم التعامل معه على أنه رقم حقيقي، إلا أنه يحتوي أيضًا على جزء وهمي. يخبرنا هذا الجزء التخيلي كيف تصبح الموجة أقوى أو أضعف بمرور الوقت. موجات التردد المعقدة ذات الأجزاء التخيلية السالبة (الإيجابية) تضمحل (تتضخم) مع مرور الوقت. ومع ذلك، فإن إجراء القياسات مباشرة في ظل إثارة موجة التردد المعقدة في البصريات يمثل تحديًا لأنه يتطلب قياسات توقيت معقدة. للتغلب على هذه الصعوبة، استخدم الباحثون الأداة الرياضية لتحويل فورييه، الذي يحلل موجة التردد المعقدة المقطوعة (CFW) إلى مكونات ذات ترددات مستقلة.
تمامًا كما هو الحال عندما تطبخ وتحتاج إلى مكون معين يصعب العثور عليه، اتبع الباحثون خطًا مشابهًا من التفكير. فهي تقوم بتفكيك موجات التردد المعقدة إلى مكونات أبسط، مثل استخدام مكونات بديلة في الوصفة. يمثل كل مكون جانبًا مختلفًا من موجة التردد. إنه مثل تحضير طبق لذيذ باستخدام مكونات بديلة للحصول على النكهة المطلوبة. ومن خلال قياس هذه المكونات بترددات مختلفة والجمع بين البيانات، أعادوا بناء سلوك النظام تحت التعرض لموجات الترددات المعقدة. وهذا يساعدهم على فهم فقدان الطاقة والتعويض عنه. يعمل هذا النهج على تبسيط الاستخدام العملي لـ CFW إلى حد كبير في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك انتشار البولاريتون والتصوير الفائق. ومن خلال أخذ قياسات بصرية على ترددات حقيقية مختلفة على فترات زمنية محددة، يمكن بناء الاستجابة البصرية للنظام عند ترددات معقدة. ويمكن تحقيق ذلك من خلال الجمع رياضيًا بين الاستجابات البصرية التي تم الحصول عليها عند ترددات حقيقية مختلفة.
وأشار مؤلف آخر للورقة، البروفيسور داي تشينغ من المركز الوطني لعلوم وتكنولوجيا النانو، إلى أن هذا العمل يوفر حلاً عمليًا لمشكلة فقدان الضوء طويلة الأمد في الضوئيات النانوية. وشدد على أهمية نهج الترددات الاصطناعية المعقدة، مشيرًا إلى أنه يمكن تطبيقه بسهولة على تطبيقات أخرى مختلفة مثل الاستشعار الجزيئي والدوائر المتكاملة النانوية. وأكد كذلك: "إن هذه الطريقة رائعة وقابلة للتطبيق عالميًا لأنه يمكن استخدامها أيضًا لحل مشكلات الفقد في الأنظمة الموجية الأخرى، بما في ذلك الموجات الصوتية والموجات المرنة والموجات الكمومية، وبالتالي تحسين جودة التصوير إلى مستويات غير مسبوقة".
المصدر المجمع: ScitechDaily