قد تُسرّع «الأسطح الفوقية» الافتراضية القابلة للبرمجة التصوير المتقدم

تحول من البنى النانوية الثابتة إلى البصريات القابلة للبرمجة

أظهر علماء في جامعة نوتنغهام ترنت ما يصفونه بأنه سطح فوقي «افتراضي»، وهو منصة لتشكيل الضوء صُممت لتنفيذ كثير من المهام المرتبطة بالأسطح الفوقية الفيزيائية، مع تجنب أحد قيودها الأساسية: فبعد بنائها، لا يمكن للبنى التقليدية تغيير ما تفعله بسهولة.

ويركز العمل، المنشور في Advanced Photonics Nexus والذي نقلته Phys.org، على نهج بصري قابل للبرمجة يحاكي أنماطًا ثنائية الأبعاد على سطح مستوٍ بدلًا من الاعتماد على جسيمات هندسية صغيرة مدمجة في مادة فائقة الرقة. ويقول الباحثون إن هذه المرونة قد تجعل أداء الأسطح الفوقية أكثر عملية للأجهزة الفعلية وأنظمة الإنتاج.

وقد جذبت الأسطح الفوقية الاهتمام لأنها تستطيع التلاعب بالضوء بطرق يصعب على المكونات البصرية التقليدية مجاراتها على المقاييس الصغيرة. فهي تستطيع ثني الضوء وتركيزه وتوجيهه أو تغيير لونه، وتفعل ذلك في هياكل أرق مرات عديدة من شعرة الإنسان. وهذا يجعلها مرشحة جذابة لاستبدال العدسات والمرايا والمرشحات الأكبر حجمًا في الأنظمة المدمجة.

لكن الأسطح الفوقية التقليدية تأتي أيضًا مع مفاضلة مدمجة. إذ تُحدد أبعادها وموادها أثناء التصنيع. وبمجرد صنع سطح فوقي فيزيائي، يصبح سلوكه البصري شبه ثابت. وقد يحد ذلك من فائدته في التطبيقات التي تتغير فيها الوظيفة المطلوبة من لحظة إلى أخرى، أو عندما يُفترض أن يؤدي منصة واحدة عدة مهام.

كيف يعمل النهج الافتراضي

يستخدم النظام الجديد مُعدِّل ضوء مكانيًا، وهو جهاز قادر على التحكم في الضوء بكسلًا بكسل. وبدلًا من تمرير الضوء عبر نمط نانوي مصنوع بشكل دائم أو فوقه، يقوم الإعداد بتوليد أنماط بصرية افتراضيًا ويمكنه التبديل بينها بسرعة عالية جدًا. ووفقًا للنص الأصلي، تحدث هذه التغييرات أسرع من رمشة العين.

وتعد هذه السرعة جوهر الفكرة. فالمنصة القابلة للبرمجة لا تكون مقنعة إلا إذا استطاعت التكيف بسرعة كافية للاستخدام العملي. وفي هذه الحالة، يرى الباحثون أن النهج القائم على المُعدِّل يسمح لجهاز واحد بأن يتولى عدة أدوار بصرية بمجرد تغيير النمط الذي يعرضه أو يفرضه. فمرة يمكنه أن يتصرف كعدسة، ومرة أخرى يمزج الألوان، ومرة ثالثة يساعد على تحويل الإشارات تحت الحمراء غير المرئية إلى مخرجات مرئية.

وبعبارة أخرى، لا تتمثل قيمة هذا النظام في أنه يؤدي مهمة بصرية واحدة بشكل أفضل من كل سطح فوقي فيزيائي صُنع على الإطلاق، بل في أنه يستطيع تنفيذ مجموعة من المهام عند الطلب من دون الحاجة إلى مكوّن مختلف مُصنَّع لكل مهمة. وهذه الفروق مهمة في التطبيقات التي يكون فيها الحجم والمرونة والسرعة وتعقيد التصنيع عوامل حاسمة في الوقت نفسه.

لماذا تهم قابلية الضبط

يجادل الباحثون بأن قابلية الضبط هي ما تحتاجه الأسطح الفوقية كي تنتقل من المختبر إلى نطاق أوسع من النشر. وهذه نقطة مهمة لأن كثيرًا من الحماس حول الأسطح الفوقية ارتبط بوعدها في مجال العتاد البصري المصغر، لكن النشر على نطاق واسع يعتمد غالبًا على ما إذا كانت التقنية قادرة على التكيف مع ظروف وحالات استخدام مختلفة من دون إعادة تصميم مكلفة.

قد يؤدي عنصر بصري ثابت وظيفة واحدة محددة ببراعة. أما العنصر البصري القابل للضبط فيمكنه، من حيث المبدأ، دعم أدوار عديدة، وتقليل تكرار العتاد، والسماح بتحديث الأنظمة عبر البرمجيات أو منطق التحكم بدلًا من إعادة تصميم كاملة للمنظومة البصرية. ويشير طرح الفريق إلى أن الأسطح الفوقية الافتراضية قد تكون جسرًا بين أبحاث البصريات عالية الأداء والمنصات الفوتونية الأكثر مرونة والموجهة نحو الإنتاج.

ولا يعني ذلك أن التقنية جاهزة للإنتاج اليوم. فالنص الأصلي يذكر صراحة أن المزيد من البحث والتطوير سيكون مطلوبًا. ومع ذلك، فإن الحجة هي أن المفهوم يزيل عنق زجاجة مهمًا كان يقيّد الفائدة الواقعية للأسطح الفوقية الفيزيائية: غياب قابلية إعادة التهيئة الديناميكية بعد التصنيع.

تمتد التطبيقات المحتملة إلى التصوير والاستشعار والاتصالات

قائمة الاستخدامات المحتملة واسعة. ويقول الباحثون إن النهج الافتراضي قد يفيد في التصوير والمجهر والفوتونيات الكمية والاستشعار وتوجيه الحزم وصناعة أشباه الموصلات والاتصالات والحوسبة المجسمة. وينبغي التعامل مع هذا بوصفه إمكانًا لا إثباتًا، لكنه يعكس مدى أساسية التحكم في الضوء عبر التقنيات المتقدمة.

في التصوير والمجهر، قد يحسن نظام يمكنه تغيير البؤرة بسرعة أو تكييف طريقة تعامله مع الأطوال الموجية المختلفة من المرونة من دون الحاجة إلى طبقات كبيرة من البصريات التقليدية. وفي الاستشعار، قد يتيح التعامل القابل للبرمجة مع إشارات محددة لجهاز واحد أن يفحص هدفًا أو بيئة في أوضاع متعددة. أما في توجيه الحزم والاتصالات، فإن القدرة على توجيه الضوء أو إعادة تشكيله ديناميكيًا ترتبط مباشرة بالأداء وقابلية تكيف النظام.

وتعد الفوتونيات الكمية مجالًا آخر جديرًا بالملاحظة لأن كثيرًا من الأنظمة الكمية تعتمد على التحكم الدقيق بالفوتونات والمسارات البصرية. وأي منصة يمكن إعادة تهيئتها بسرعة ودقة قد تكون جذابة في البيئات التجريبية أو التجارية الهجينة، شريطة أن تفي بمتطلبات الاستقرار والضجيج.

عرض توضيحي ركز على الأشعة تحت الحمراء غير المرئية

في الدراسة، عرض الباحثون الفكرة باستخدام المنصة لتحويل الإشارات تحت الحمراء غير المرئية إلى أنماط مرئية. وهذا المثال مفيد لأنه يوضح أن التقنية تفعل أكثر من مجرد إعادة إنتاج تأثير عدسة مألوف. فهو يبرز الوعد الأوسع للتلاعب القابل للبرمجة بالضوء، خصوصًا عندما يتيح تحويل الطول الموجي أو ترجمة الإشارة الكشف عن معلومات كانت ستظل غير متاحة للعين.

ولهذا التحويل من تحت الأحمر إلى المرئي آثار واضحة في التصوير والفحص والاستشعار. وعلى الرغم من أن النص المقدم لا يحدد الأداء رقميًا ولا يقارن الطريقة بأنظمة قائمة بعينها، فإنه يثبت أن الفريق يطرح الأسطح الفوقية الافتراضية كأداة بصرية عملية لا كمفهوم نظري بحت.

والخلاصة الأوسع هي أن المجال قد يتحرك نحو بصريات معرفة بالبرمجيات، حيث لا يُثبَّت السلوك المفيد للسطح أثناء التصنيع، بل يُحدَّث ديناميكيًا أثناء التشغيل. وإذا استمر هذا الاتجاه، فقد تصبح الأسطح الفوقية أقل شبهاً بالمكونات الثابتة وأكثر شبهاً بالمنصات القابلة للبرمجة. وبالنسبة لمطوري أنظمة التصوير المدمجة والأدوات الفوتونية والعتاد البصري التكيفي، فإن ذلك سيكون تغييرًا مهمًا في فلسفة التصميم بقدر ما هو تحسين في قدرة المكوّن نفسه.

حتى الآن، يبقى العمل نتيجة بحثية. لكنه من النوع الذي يوضح مسارًا للمستقبل: بدلًا من التساؤل عن كيفية تصنيع بنى نانوية ثابتة أكثر تخصصًا على نحو متزايد، قد يتزايد سؤال الباحثين عن كيفية جعل السلوك البصري قابلًا لإعادة البرمجة بسرعة. ولهذا يرى فريق نوتنغهام ترنت أن هذا التقدم قد يكون عامل تغيير جذري. فالاختراق لا يقتصر على بصريات أرق، بل يتعلق ببصريات يمكنها أن تغيّر رأيها باستمرار.

يعتمد هذا المقال على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.