مليار مرة في الثانية... غشاء سيليكون مصمم للتحكم فائق السرعة في الضوء
© Sputnik . Alexei Danichev
/ تابعنا عبر
طور فريق من العلماء من جامعة ”ITMO"، والمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL)، وجامعة هاربين للهندسة في الصين، بنية سيليكونية فائقة الرقة قادرة على تبديل الضوء بترددات تقارب مليار مرة في الثانية،هذا الجهاز عبارة عن "سطح فائق" قابل للضبط، مصمم للتحكم في الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.
تعالج الحواسيب الحديثة المعلومات باستخدام إشارات كهربائية تنتقل عبر الدوائر الإلكترونية، ولكن مع تزايد طلب أنظمة الحوسبة على سرعة وكفاءة أعلى، يتجه الباحثون بشكل متزايد إلى استكشاف إمكانية أخرى: معالجة المعلومات ونقلها باستخدام الضوء.
ما هو السطح الفائق؟
السطح الفائق هو مادة مصنعة هندسيًا تتكون من هياكل متناهية الصغر مرتبة بنمط دقيق.
على عكس المكونات البصرية التقليدية، كالعدسات والمرشحات، التي غالبًا ما تعتمد على قطع زجاجية سميكة نسبيًا، تستطيع الأسطح الفائقة التحكم بالضوء باستخدام هياكل أرق بكثير من الأنظمة البصرية ذات مقياس الطول الموجي التي قد تحل محلها مستقبلًا.
في هذه الحالة، ابتكر العلماء نمطًا من الثقوب النانوية في السيليكون،يحدد موقع هذه الثقوب وشكلها وحجمها كيفية تفاعل السطح مع الضوء الساقط. من خلال تصميم هذا الشكل الهندسي بدقة، يستطيع الباحثون جعل الهيكل يعمل كمرشح بصري انتقائي للغاية، مما يسمح له بالتفاعل بقوة مع طول موجي محدد.
يُعد هذا النوع من التكنولوجيا البصرية المسطحة جذابًا نظرًا لصغر حجمه وإمكانية دمجه مع عمليات تصنيع الرقائق الدقيقة القائمة.
مع ذلك، ثمة قيد هام، فمعظم الأسطح الفائقة مصممة لوظيفة بصرية محددة، وبمجرد تصنيعها، تصبح خصائصها ثابتة بشكل أساسي. يُعدّ هذا مقبولًا للعدسات أو المرشحات الثابتة، ولكنه أقل فائدة بكثير عندما يحتاج النظام إلى تغيير الإشارة الضوئية بسرعة، كما هو الحال عند ترميز البيانات في شعاع ضوئي، ويتناولالبحث الجديد هذه المشكلة تحديدًا.
غشاء سيليكوني بسماكة ميكرومتر واحد فقط
بدلا من وضع السطح الفائق على ركيزة زجاجية أو ياقوتية تقليدية، ابتكر الباحثون غشاءً سيليكونيًا معلقًا بحرية في الهواء، يبلغ سمك الغشاء ميكرومترًا واحدًا فقط، أي ما يقارب 50 ضعفًا أقل من سمك شعرة الإنسان.
يُسهم الاستغناء عن الركيزة الداعمة التقليدية في حل مشكلة بصرية هامة، إذ يمكن للزجاج والياقوت امتصاص الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء ذي الصلة، مما يُضعف الإشارة، ويسمح الغشاء السيليكوني المعلق الرقيق للغاية للباحثين بتجنب هذا الامتصاص غير المرغوب فيه مع الحفاظ على الخصائص البصرية المطلوبة.
كما رُتبت ثقوبه النانوية بحيث يعمل الغشاء بأكمله كمرشح بصري رنان.يتميز الرنين بحدة استثنائية، وقد أفاد الباحثون بأن عامل الجودة (Q) يصل إلى 3000. يعني عامل الجودة العالي أن البنية تتفاعل بقوة وانتقائية مع الضوء القريب من طول موجي محدد،وبسبب هذه الحساسية، حتى تغيير خارجي طفيف نسبيًا يمكن أن يُغير بشكل ملحوظ كمية الضوء التي تمر عبر الغشاء، وهذه الحساسية هي ما يُتيح التحكم السريع.
طريقتان للتحكم بالضوء
أوضح الباحثون طريقتين لتغيير الخصائص البصرية للسطح الفائق: التحكم الكهربائي والتحكم البصري.
في الطريقة الكهربائية، يُطبق جهد كهربائي مقداره خمسة فولتات فقط، وهو مستوى شائع الاستخدام في الإلكترونيات الدقيقة، على الغشاء، حيث يسخن السيليكون، مما يُغير خصائصه البصرية ويُقلل من شفافيته. وبالتالي، يمكن التحكم كهربائيًا بكمية ضوء الأشعة تحت الحمراء التي تمر عبر البنية.
هذه الطريقة ملائمة لأنها يُمكن ربطها بالأنظمة الإلكترونية العادية، لكن التسخين والتبريد يستغرقان وقتًا، مما يُحد من سرعة استجابة الجهاز.
الطريقة البصرية أسرع بكثير
بدلا من تطبيق الجهد، يُسلط الباحثون نبضة ليزر قصيرة على السيليكون، حيث تُولّد النبضة إلكترونات حرة داخل المادة، مما يُغيّر خصائصها البصرية بسرعة ويُقلّل من شفافيتها، ولأن هذه العملية لا تعتمد على التسخين والتبريد الفيزيائي للغشاء، فإن الاستجابة تحدث في غضون بضع نانوثوانٍ فقط.
ويصل تردد التعديل الناتج إلى نحو 1 جيجاهرتز - أي ما يُقارب مليار دورة تبديل في الثانية.
قارن سيرغي ماكاروف من معهد "ITMO" هذا التردد بسرعات معالجات البيانات الحديثة، ويكمن الاختلاف الجوهري في أن الإشارة هنا تُعالج مباشرةً على شكل ضوء.
أهمية التحكم السريع بالضوء
في الإلكترونيات الرقمية، تُمثَّل المعلومات بحالات كهربائية متغيرة بسرعة، ويمكن للأنظمة البصرية استخدام مبدأ مشابه، ولكن بدلا من تغيير التيارات الكهربائية، تُعدّل خصائص الضوء.
إذا استطاع مُكوِّن بصري التبديل بين حالات مختلفة بسرعة فائقة، فإنه يُمكنه ترميز كميات هائلة من المعلومات ومعالجتها ونقلها.
هذا أحد أسباب أهمية السطح الفائق الجديد في مجال الحوسبة الضوئية، فبدلاً من تحويل المعلومات بشكل متكرر بين الأشكال الكهربائية والضوئية، يُمكن للأنظمة المستقبلية إجراء المزيد من العمليات مباشرةً باستخدام الفوتونات.
من الكشف الكيميائي إلى الاتصالات الآمنة
قد تكون القدرة على التحكم في ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ذات قيمة تتجاوز بكثير مجال الحوسبة.
أحد التطبيقات المحتملة هو مطياف صغير الحجم، تمتص الجزيئات المختلفة أطوال موجية محددة من الأشعة تحت الحمراء، مما ينتج عنه بصمات طيفية مميزة. وبالتالي، يمكن لبنية بصرية قابلة للضبط بدقة أن تساعد الأجهزة على تحديد التركيب الكيميائي للمواد.
قد تكون هذه القدرة مفيدة في الاستشعار الكيميائي والبيولوجي، حيث يُعد الكشف البصري الصغير والحساس ذا قيمة بالغة، ويمكن أيضًا استخدام السطح الفائق كمكون حساس في أنظمة التصوير الحراري، التي تعتمد على الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام.
تطبيق آخر محتمل هو الاتصالات البصرية المحمية، حيث تُشفّر المعلومات مباشرةً في شعاع ضوئي. يمكن لمكون قادر على تعديل هذا الضوء بسرعة فائقة أن يُسهم في تطوير أجهزة اتصالات صغيرة الحجم تعمل بمعدلات بيانات عالية.
الهدف التالي: التحكم في الاستقطاب
يعمل الباحثون حاليًا على خاصية أخرى للضوء: الاستقطاب، الذي يصف اتجاه تذبذب المجال الكهرومغناطيسي.
قد يُتيح التحكم في الاستقطاب قناةً إضافيةً لترميز المعلومات، فبدلاً من نقل البيانات باستخدام تغييرات شدة الضوء أو طول موجته فقط، يُمكن للأنظمة البصرية المستقبلية استخدام حالات استقطاب مختلفة.
ووفقًا للباحثين، يُمكن لهذا أن يزيد بشكلٍ كبيرٍ كمية المعلومات المنقولة عبر قناة بصرية واحدة.
تكمن الأهمية الأوسع لهذا العمل في الجمع بين ثلاث خصائص يصعب تحقيقها معًا: بنية بصرية بالغة الرقة، وحساسة للغاية، وقابلة للتحكم الديناميكي بسرعة فائقة.
لذا، قد يُمثل غشاء السيليكون الذي لا يتجاوز سمكه ميكرومترًا واحدًا أكثر بكثير من مجرد مرشح بصري مصغر، إنه خطوة نحو مكونات بصرية قادرة على معالجة المعلومات التي يحملها الضوء بفعالية، وبسرعة كافية لتصبح ذات أهمية في تقنيات الحوسبة والاستشعار والاتصالات المستقبلية.
المصدر: | بوابة روسيا العلمية |
