هياكل سيليكون فائقة الرقة تضبط ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في أجزاء من مليار من الثانية

لماذا يستحق ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة التحكم فيه

يحتل نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في الطيف الكهرومغناطيسي موقعاً متميزاً في الاستشعار الحديث. فالجزيئات تمتص الضوء وتتفاعل معه عند هذه الأطوال الموجية بطرق شديدة التحديد، منتجةً بصمات طيفية تكشف ما هي المادة فعلاً. وتقوم على هذه الخاصية مطيافية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وهي تقنية يعتمد عليها الباحثون لتحديد المواد البيولوجية، والكشف عن العقاقير، ورصد الملوثات في البيئة.

والاستشعار ليس الاستخدام الوحيد. فضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة يمكنه أيضاً حمل المعلومات عبر الفضاء الحر، مما يسمح للبيانات بالانتقال عبر الهواء دون كابلات أو ألياف بصرية. وفي كلا الدورين تكون المكسب العملي واحداً: فكلما زادت دقة تحكم الباحثين في ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، أصبحت كواشفهم أكثر حساسية وروابط اتصالاتهم أسرع. ولذلك أصبح تحسين هذا التحكم هدفاً هندسياً محورياً.

المشكلة في معظم الأسطح الفوقية: إنها مجمّدة عند التصنيع

برزت الأسطح الفوقية كأحد أكثر الحلول الواعدة لمشكلة التحكم تلك. وهي هياكل فائقة الرقة منقوشة على المستوى النانوي، مصممة بحيث يُشكّل شكلها الهندسي موجات الضوء ويوجّهها بدلاً من الاعتماد على بصريات تقليدية ضخمة.

لكن هناك عقبة أبقت كثيراً منها خارج الأنظمة الفوتونية الواقعية. فمعظم الأسطح الفوقية التي أُثبتت حتى الآن ثابتة: فبمجرد تصنيع البنية النانوية تُقفل خصائصها البصرية في مكانها. يؤدي الجهاز ما صُنع لأجله ولا شيء غيره. وكان المكوّن البصري القابل للضبط، الذي يمكن تغيير استجابته عند الطلب دون إعادة بناء الشريحة، هو القطعة المفقودة.

السيليكون البلوري المعلّق يغيّر المعادلة

عالج فريق بحثي بقيادة هاتيسه ألتوج في مختبر الأنظمة الحيوية النانوية الفوتونية (BIOS) في كلية الهندسة بجامعة EPFL هذه العقبة. بنى الفريق أسطحاً فوقية على أغشية معلّقة من السيليكون البلوري ويضبطها عبر إحداث شحنات كهربائية متحركة داخل السيليكون نفسه. والنتيجة جهاز يمكن تغيير استجابته للضوء في الزمن الحقيقي دون أي تعديل في بنيته الفيزيائية.

ويقع اختيار المادة والبنية المعمارية في قلب هذا التقدم. وقالت ألتوج: "باستخدام السيليكون البلوري مع الطبقة النانوية المعلّقة في الهواء، تمكّنا من تقليل الفاقد البصري إلى حد كبير، وهو الفاقد الذي يحد عادةً من منصات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة التقليدية".

وإن تعليق الطبقة النانوية بدلاً من تركها على ركيزة صلبة يتجنب مسارات الامتصاص والتسرب التي تستنزف الأداء في التصاميم المماثلة للأشعة تحت الحمراء المتوسطة. وقد نُشر العمل في مجلة Nature Communications.

مساران للضبط، دون المساس بالبنية النانوية

وكما شرح إيفان سينيف، كبير العلماء في مختبر BIOS، فقد أثبت الفريق طريقتين متميزتين لضبط الأسطح الفوقية مع ترك بنيتها النانوية دون مساس. يعتمد أحد الأسلوبين على أقطاب كهربائية مدمجة تعمل كسخانات دقيقة، تطبق طاقة حرارية موضعية لتغيير سلوك البنية بصرياً. ويعتمد الآخر على المبدأ القائم على الشحنة الذي يؤكد عليه الفريق في وصف العمل: تحريك الحاملات الكهربائية داخل السيليكون لتعديل الاستجابة البصرية للمادة.

وهذا التمييز مهم لأنه يفصل الحرارة والشحنة كرافعتين مستقلتين عن هندسة الجهاز نفسه. ولأن النمط النانوي يواصل أداء وظيفته في كلتا الحالتين، لا يُضطر الباحثون إلى إعادة تصميم وإعادة تصنيع بنية جديدة في كل مرة يحتاجون فيها إلى سلوك بصري مختلف.

من أجزاء من الألف من الثانية إلى أجزاء من مليار من الثانية

مكسب السرعة هو أحد النتائج البارزة. تضبط أجهزة EPFL ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة على مقاييس زمنية تُقاس بأجزاء من مليار من الثانية، وهو تحول هائل عن التبديل بمقياس الألف من الثانية النموذجي في الأساليب القابلة للضبط السابقة.

وبالنسبة لنظام فوتوني، هذا الفرق ليس تحسيناً هامشياً. فإعادة تشكيل عنصر بصري في أجزاء من الألف من الثانية تستبعده فعلياً من أي تطبيق يتطلب تضميناً سريعاً، مثل ترميز البيانات عالي السرعة أو قياس العينات السريعة الحركة والعابرة.

أما التبديل في أجزاء من مليار من الثانية فيفتح البابين معاً. فمقدمة الكاشف يمكن إعادة تشكيلها بين القياسات بوتيرة تواكب الإشارة التي تحللها. ويمكن لرابط بصري في الفضاء الحر أن يطبع المعلومات عبر تضمين ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بسرعة تكفي لدعم معدلات بيانات أعلى بكثير.

أداء بصري قياسي وتصنيع على مقياس الرقاقة

كما حققت الأجهزة ما يصفه الباحثون بأداء بصري قياسي، محققةً تحسناً يزيد على مرتبة كاملة في المقاييس الرئيسية مقارنةً بمنصات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة السابقة المصنوعة من مواد مماثلة. وهذا المزيج من قابلية الضبط والفاقد المنخفض بشكل حاد هو ما يجعل المنصة تنافسية وليست مجرد مثيرة للاهتمام.

ويبدو أن التصنيع قابل للتوسع أيضاً. أنتج الفريق أغشية على مقياس الرقاقة تتكون من شرائح بمساحة 1 سم²، تحمل كل منها مصفوفة 7×7 من الأسطح الفوقية. وحشد العديد من الهياكل على شريحة واحدة يشير إلى أنظمة تتعامل فيها مناطق مختلفة من جهاز واحد مع مهام بصرية مختلفة، أو تُضبط فيها المصفوفات بالتوازي.

ما الذي يأتي بعد ذلك

تسير التطبيقات القريبة المدى التي يشير إليها الباحثون على مسارين. فعلى جانب الاستشعار، يُترجم التحكم الأفضل في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى كواشف أكثر حساسية ومطيافية أكثر قدرة، وهو أمر مفيد لتحديد العينات البيولوجية، والفحص عن العقاقير، ورصد الملوثات. وعلى جانب الاتصالات، يدعم روابط بصرية أسرع في الفضاء الحر تنقل البيانات عبر الهواء. وكلاهما مرشح للاستفادة من مكوّن فائق الرقة ومنخفض الفاقد وقابل لإعادة التشكيل عند الطلب.

وقد تكون الأهمية الأكبر معمارية. فلسنوات ظل الطابع الثابت للأسطح الفوقية يحصرها إلى حد كبير في وظائف بصرية ساكنة، بينما اعتمدت البدائل القابلة للضبط على مواد وآليات ضحّت بالأداء. ومن خلال الجمع بين السيليكون البلوري المعلّق والضبط القائم على الشحنة، أظهر فريق EPFL أن قابلية إعادة التشكيل لا يلزم أن تأتي على حساب الجودة البصرية. وإذا توسّعت هذه المقاربة كما يوحي العرض على مستوى الرقاقة، فقد تنتقل الأسطح الفوقية القابلة للضبط للأشعة تحت الحمراء المتوسطة من كونها فضولاً مخبرياً إلى لبنة بناء معيارية في الأنظمة الفوتونية المصممة للاستشعار والاتصال على حد سواء.

يستند هذا المقال إلى تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.