إن توجيه الضوء من مكان إلى آخر هو العمود الفقري لعالم المعلومات الحديث لدينا. تعبر كابلات الألياف الضوئية المحيطات العميقة والقارات الشاسعة، وتحمل الضوء الذي يحتوي على كل شيء بدءًا من مقاطع فيديو اليوتيوب وحتى التحويلات المصرفية في ألياف رقيقة جدًا. ومع ذلك، أراد البروفيسور جيوونج بارك من جامعة شيكاغو معرفة ما سيحدث إذا تم جعل الألياف أرق وأكثر تسطحًا - رقيقة جدًا لدرجة أنها كانت في الواقع ثنائية الأبعاد بدلاً من ثلاثية الأبعاد. ماذا يحدث للضوء؟
اكتشف علماء جامعة شيكاغو أن البلورة الزجاجية التي يبلغ سمكها بضع ذرات فقط يمكنها التقاط الضوء وحمله - ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. الخيط الرفيع الموجود في وسط البلاستيك الذي يحمله المؤلف المشارك في الدراسة هانيو هونغ هو هذه المادة. مصدر الصورة: جان لشات
ومن خلال سلسلة من التجارب المبتكرة، اكتشف هو وفريقه أن الشرائح الرقيقة من البلورات الزجاجية التي يبلغ سمكها بضع ذرات فقط يمكنها التقاط الضوء وحمله. ليس هذا فحسب، بل إنه فعال بشكل مدهش ويمكنه السفر لمسافة طويلة نسبيًا - سنتيمتر واحد، وهي مسافة بعيدة جدًا في عالم الحوسبة المستندة إلى الضوء.
البروفيسور جيوونغ بارك (يسار) والعالم هانيو هونغ (يمين) في مختبر الليزر، حيث أكدا أن المادة يمكنها حمل الضوء - على الرغم من أنه أصغر من الضوء نفسه. مصدر الصورة: جان لشات
يوضح البحث، الذي نُشر مؤخرًا في مجلة Science، ما هو في الأساس دائرة ضوئية ثنائية الأبعاد ويمكن أن يفتح الطريق أمام تقنيات جديدة.
قال جيوونج بارك، المؤلف الرئيسي للدراسة وأستاذ ورئيس قسم الكيمياء في معهد جيمس فرانك وكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية: "لقد فوجئنا تمامًا بمدى قوة هذه البلورة فائقة الرقة؛ فهي لا تستطيع الاحتفاظ بالطاقة فحسب، بل يمكنها أيضًا إيصالها إلى مسافة أبعد بألف مرة مما شاهده أي شخص في أنظمة مماثلة. ويتصرف الضوء المحصور أيضًا كما لو كان يسافر في فضاء ثنائي الأبعاد".
ضوء الدليل
النظام المخترع حديثًا هو وسيلة لتوجيه الضوء، تُعرف باسم الدليل الموجي، وهو ثنائي الأبعاد بطبيعته. وفي الاختبارات، وجد الباحثون أنهم يستطيعون توجيه الضوء على طول مسار الشريحة باستخدام منشورات وعدسات ومفاتيح صغيرة للغاية - وجميع عناصر الدوائر والحوسبة.
الدوائر الضوئية موجودة بالفعل، لكنها أكبر بكثير وثلاثية الأبعاد. بشكل حاسم، في الأدلة الموجية الموجودة، تنتشر جزيئات الضوء - ما يسمى بالفوتونات - دائمًا داخل الدليل الموجي.
يشرح العلماء أنه في هذا النظام، تكون البلورة الزجاجية في الواقع أرق من الفوتون نفسه، لذا فإن جزءًا من الفوتون يخرج فعليًا من البلورة أثناء انتقاله.
البروفيسور جيوونغ بارك (يسار) والعالم هانيو هونغ (يمين) يفحصان المادة في مختبر بارك في جامعة شيكاغو. وفي الاختبارات، يمكنهم استخدام منشورات صغيرة وعدسات ومفاتيح لتوجيه الضوء على طول مسار الشريحة - جميع عناصر الدوائر والحوسبة. مصدر الصورة: جان راشات
إنه يشبه إلى حد ما بناء أنبوب لحمل الحقائب في المطار مقابل وضع الحقائب على الحزام الناقل. على الحزام الناقل، تكون الحقائب في الهواء الطلق ويمكنك رؤيتها وضبطها بسهولة على الطريق. هذا الأسلوب يجعل من السهل إنشاء أجهزة معقدة من البلورات الزجاجية، حيث يمكن للضوء أن يتحرك بسهولة من خلال العدسات أو المنشور.
يمكن للفوتونات أيضًا تجربة معلومات حول الظروف على طول الطريق. فكر في الأمر، وتحقق من حقيبتك القادمة من الخارج لمعرفة ما إذا كان الثلج يتساقط في الخارج. وبالمثل، يمكن للعلماء أن يتخيلوا استخدام هذه الأدلة الموجية لإنشاء أجهزة استشعار على المستوى المجهري.
يشرح بارك: "لنفترض أن لديك عينة من السائل وتريد أن تشعر بوجود جزيء معين". "يمكنك تصميمه بحيث يمر الدليل الموجي عبر العينة، ووجود هذا الجزيء سيغير سلوك الضوء."
يهتم العلماء أيضًا ببناء دوائر ضوئية رفيعة جدًا يمكن تكديسها فوق بعضها البعض لدمج المزيد من الأجهزة الصغيرة في نفس منطقة الشريحة. كانت البلورة الزجاجية التي استخدموها في هذه التجارب هي ثاني كبريتيد الموليبدينوم، لكن المبدأ ينطبق على مواد أخرى أيضًا.
وفي حين توقع العلماء النظريون أن هذا السلوك يجب أن يكون موجودًا، فإن تحقيقه في المختبر كان عملية تستغرق سنوات طويلة، كما قال العلماء.
قال هانيو هونغ، وهو طالب دراسات عليا ومؤلف مشارك في الورقة البحثية: "كانت هذه مشكلة صعبة للغاية ولكنها مرضية لأننا دخلنا مجالًا جديدًا تمامًا. لذلك، كان علينا تصميم كل ما نحتاجه بأنفسنا - بدءًا من تنمية المادة وحتى قياس كيفية تحرك الضوء".