علماء يحركون الضوء باستخدام محور نانوي ذهبي
© flickr.com / andrea.pacelli
تابعنا عبر
يتميز الضوء، كما نعرفه، بسرعة انتشاره المذهلة من نقطة إلى أخرى. فعلى سبيل المثال، في ثانية واحدة فقط، يستطيع الضوء قطع معظم المسافة بين الأرض والقمر. هذه الخاصية تجعله مناسبًا لنقل المعلومات، التي يجب اليوم نقلها بسرعة البرق.
لذا، قد يبدو من المستغرب أن العديد من الاكتشافات الحديثة في دراسة الضوء العلمية تتضمن حصره في مناطق أصغر بكثير من سُمك شعرة الإنسان. في هذه الأحجام الصغيرة، التي تُقاس غالبًا بعشرات النانومترات، يعتمد شكل الضوء على نوع وشكل المادة التي ينتشر خلالها، حسب ما ورد في بوابة "روسيا العلمية".
ومن أهم خصائص الضوء في هذا السياق استقطابه، الذي يُحدد كيفية تذبذب المجال الكهربائي أثناء انتشاره:
في الضوء المستقطب خطيًا، يتذبذب المجال الكهربائي ذهابًا وإيابًا في اتجاه ثابت، كحبل يُحرّك لأعلى ولأسفل.
أما في حالة الاستقطاب الدائري، فيدور المجال الكهربائي أثناء انتشار الضوء، مُشكّلًا بنية حلزونية. يُطلق على الاستقطاب الدائري للضوء أيضًا اسم "اللف المغزلي"، ويمكن استخدام هذه الخاصية لترميز المعلومات ونقلها، فضلًا عن التحكم في انتشار الضوء في الأجهزة النانوية.
مع ذلك، يُعدّ توليد ضوء مُعزّز باللف المغزلي على المستوى النانوي أمرا صعبا، لأن الاستقطاب غالبا ما يعتمد على شكل المادة. على سبيل المثال، عادة ما تُصدر بنية نانوية مُطوّلة، كهوائي الراديو، ضوءًا مُستقطبًا على طول محورها المُطوّل، بدلًا من الضوء الدوّار المطلوب.
وجد باحثون من جامعة طوكيو للعلوم، بالتعاون مع معهد العلوم الجزيئية في اليابان، طريقةً للتغلب على هذا القيد. فقد أثبت فريق بقيادة البروفيسور مارك سادغروف أن تسليط شعاع إلكتروني مُوجّه على محور نانوي ذهبي يبلغ طوله نحو 150 نانومترًا يُؤدي إلى دوران الضوء المُحيط به.
يشرح البروفيسور سادغروف هذا التأثير بتشبيه بسيط: "إذا سبق لك أن حركت طرف قلم موضوع على طاولة، فأنت تعلم أن القلم لا يتحرك للأمام فحسب، بل يميل أيضًا إلى الدوران". مع أن مبدأ توليد الضوء يختلف تماما عن هذا المثال البسيط، إلا أن مفهوم إحداث اختلال لتحفيز الدوران المغزلي لا يزال قائمًا. تحديدا، كلما ابتعد شعاع الضوء عن مركز المحور النانوي، ازداد دوران الضوء المغزلي قوة.
ومن المهم ملاحظة أن إثارة المحور النانوي خارج مركزه تُنتج استقطابًا دائريًا، على الرغم من أن شكل المحور المطول لا يُنتج عادةً إلا استقطابًا خطيا قياسيا. تطلّب إثبات أن الضوء القريب من المحور مستقطب دائريًا منهجًا مبتكرا. فالتجارب التقليدية من هذا النوع لا تسجل سوى سطوع الضوء، دون أن تُتيح أي طريقة لتحديد ما إذا كان يدور أم لا.
لمعالجة هذه المشكلة، قام الباحثون بتضمين محور نانوي ذهبي في ليف بصري فائق الرقة يتميز بخاصية فريدة: يعتمد اتجاه مرور الضوء عبر الليف على ما إذا كان الضوء القريب من المحور يدور باتجاه عقارب الساعة أو عكسها. ومن خلال قياس طرف الليف الذي ينبعث منه الضوء، تمكن العلماء من تأكيد وجود الدوران.
تطابقت نتائج التجارب تمامًا مع نتائج المحاكاة. فعندما تحرك شعاع الإلكترون من جانب المحور النانوي إلى الجانب الآخر، انعكس اتجاه مرور الضوء عبر الليف، ما يشير إلى انعكاس اتجاه دوران الضوء.
أظهرت الدراسة أن الإثارة غير المركزية يمكن أن تولد ضوءًا دوارًا حتى في بنية نانوية بسيطة. وهذا يفتح آفاقًا جديدة للتحكم في دوران الضوء، بما في ذلك جسيمات الضوء الفردية (الفوتونات). وقد يكون هذا مفيدًا بشكل خاص في الدوائر البصرية المتكاملة، حيث يُعد التحكم الدقيق والفعال في الضوء أمرًا بالغ الأهمية.
قد يفتح هذا النهج آفاقًا جديدة لتشفير المعلومات ونقلها ومعالجتها باستخدام الضوء، مما يُسهّل تطوير الاتصالات الكمومية وتقنيات الفوتونيات من الجيل التالي.
