نور، به عنوان یکی از اساسی‌ترین عناصر جهان هستی، همواره مورد توجه دانشمندان و محققان بوده است. کنترل دقیق نور، امکانات بی‌شماری را در زمینه‌های مختلف از جمله ارتباطات، پزشکی، و فناوری‌های نوین فراهم می‌کند. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه فناوری نانو و ریزتراشه‌ها، امکان کنترل دقیق نور را در مقیاس‌های بسیار کوچک […]
نور، به عنوان یکی از اساسی‌ترین عناصر جهان هستی، همواره مورد توجه دانشمندان و محققان بوده است. کنترل دقیق نور، امکانات بی‌شماری را در زمینه‌های مختلف از جمله ارتباطات، پزشکی، و فناوری‌های نوین فراهم می‌کند. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه فناوری نانو و ریزتراشه‌ها، امکان کنترل دقیق نور را در مقیاس‌های بسیار کوچک فراهم کرده است. دانشمندان موفق به طراحی و ساخت ریزتراشه‌هایی شده‌اند که می‌توانند ویژگی‌های نور مانند شدت، طول موج، و قطبش را با دقت بسیار بالا کنترل کنند. این دستاورد، آغازگر عصری جدید در کنترل نور است و می‌تواند تحولات عظیمی را در عرصه‌های مختلف علمی و صنعتی رقم بزند. در این گزارش، به بررسی جزئیات این فناوری نوین و کاربردهای بالقوه آن می‌پردازیم.
انقلاب در دنیای نورشناسی؛ حسگر تراشه‌ای با کریستال‌های پیچ‌خورده، جایگزین غول‌های نوری می‌شود!
دانشمندان با به‌کارگیری نوع نوینی از فراماده‌های نوری به نام «کریستال‌های فوتونیک موآر پیچ خورده»، حسگر جدیدی را بر روی یک تراشه کوچک طراحی و تولید کرده‌اند که قادر است ویژگی‌های نور را در لحظه و با دقت بی‌نظیری تنظیم کند. این دستاورد چشمگیر می‌تواند به زودی جایگزین سیستم‌های نوری حجیم و پیچیده‌ای شود که امروزه در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما این «کریستال‌های فوتونیک موآر پیچ خورده» چگونه عمل می‌کنند؟
برای درک بهتر این فناوری، دو قطعه پارچه با الگوهای تکراری ساده، مانند خطوط راه راه را تصور کنید. اگر این دو قطعه را دقیقاً روی یکدیگر قرار دهید، هر دو الگو به وضوح قابل مشاهده خواهند بود. اما اگر یکی از لایه‌ها را کمی بچرخانید یا جابجا کنید، الگوهای جدید و به مراتب پیچیده‌تری ظاهر می‌شوند؛ الگوهایی که در هیچ یک از پارچه‌ها به تنهایی وجود نداشتند.
تنظیم دقیق نور با هنر پیچش و لایه‌بندی
همین اصل اساسی در مورد «کریستال‌های فوتونیک موآر پیچ خورده» نیز صادق است. هنگامی که لایه‌های این مواد نوری با زوایای متفاوت می‌چرخند یا فاصله بین آن‌ها تغییر می‌کند، نحوه تعامل آن‌ها با نور نیز دگرگون می‌شود. محققان با تنظیم بسیار دقیق زاویه پیچش و فاصله بین این لایه‌ها، می‌توانند چندین ویژگی اساسی نور، از جمله فاز، قطبش و طول موج آن را به طور همزمان و با دقت فوق‌العاده کنترل کنند.
با وجود این قابلیت‌های شگفت‌انگیز، تا کنون محققان موفق نشده بودند تا «کریستال‌های فوتونیک موآر پیچ خورده» را در دستگاه‌هایی ادغام کنند که بتوانند به طور فعال و در لحظه، میزان پیچش و فاصله بین لایه‌ها را کنترل نمایند.
پیشرفتی نوآورانه در طراحی روی تراشه
اکنون، محققان برجسته «دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان پاولسون» (SEAS)، با همکاری نزدیک دانشمندان دانشگاه استنفورد و دانشگاه کالیفرنیا، حسگر «کریستال فوتونیک موآر پیچ خورده» جدیدی را بر روی یک تراشه کوچک توسعه داده‌اند. این حسگر نوآورانه از فناوری «MEMS» (سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی) بهره می‌برد تا شکاف و زاویه بین لایه‌های کریستال را در لحظه و به صورت فعال کنترل کند.
لازم به ذکر است که بودجه این تحقیقات پیشگامانه توسط نهادهای معتبری همچون «بنیاد ملی علوم آمریکا» (DARPA)، دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی آمریکا و دفتر تحقیقات دریایی آمریکا تامین شده است و ساخت نمونه اولیه این حسگر در «مرکز سامانه‌های مقیاس نانو دانشگاه هاروارد» به انجام رسیده است.
فشرده، قابل تنظیم و بسیار قدرتمند
پروفسور «اریک ماژور» (Eric Mazur)، استاد فیزیک و یکی از نویسندگان مقاله منتشر شده در مجله فیزیک کاربردی در این خصوص می‌گوید: «کریستال‌های فوتونیک موآر پیچ خورده» به دلیل برخورداری از ویژگی‌های نوری قابل تنظیم، امکان کنترل دقیق نور، طراحی فشرده و قابلیت مقیاس‌پذیری بالا، ابزاری بسیار کارآمد برای طراحی و ساخت سیستم‌های نوری کوچک‌تر و در عین حال قدرتمندتر به شمار می‌روند. علاوه بر این، این فناوری پتانسیل کاربرد گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف فناوری‌های فوتونیک پیشرفته دارد.
«هائونینگ تانگ» (Haoning Tang)، محقق فوق دکترا در (SEAS) و نویسنده ارشد این مطالعه نیز اظهار داشت: تحقیقات ما به وضوح نشان می‌دهد که این مواد، هنگامی که تحت کنترل دقیق قرار می‌گیرند، تا چه اندازه می‌توانند قدرتمند باشند. ما با استفاده از این سطح از نظارت و کنترل، می‌توانیم مسیر مقیاس‌پذیری را برای تولید انبوه دستگاه‌های نورشناسی پیشرفته ایجاد کنیم.
قابلیت مقیاس‌پذیری برای تولید انبوه
در این دستگاه نوآورانه، لایه‌های «کریستال‌های فوتونیک» بر روی محرک‌های عمودی و چرخشی بسیار دقیقی قرار می‌گیرند که به یک الکترود متصل شده‌اند. ابعاد کلی این دستگاه تنها چند میلی‌متر است و مهم‌تر از آن، می‌تواند با استفاده از فرآیندهای سازگار با فناوری «CMOS» (نیم‌رسانای اکسید فلزی مکمل) تولید شود. این بدان معناست که امکان ساخت انبوه و مقرون‌به‌صرفه این حسگر با استفاده از فرآیندهای استاندارد نانوساخت وجود دارد.
محققان در جریان آزمایش‌های خود نشان دادند که با استفاده از این محرک‌ها برای تغییر فاصله و موقعیت چرخشی لایه‌های «کریستال‌های فوتونیک»، می‌توانند به طور همزمان تصویربرداری فراطیفی و ابرقطبی را انجام دهند. این بدان معناست که هر پیکسل ثبت شده توسط این حسگر، حاوی اطلاعات جامعی از سراسر طیف الکترومغناطیسی و همچنین اطلاعات دقیق در مورد وضعیت قطبش نور است. به گفته محققان، این نخستین دستگاه با درجه تنظیم فعال است که چنین اطلاعات دقیق و جامعی را در مورد ویژگی‌های متعدد نور به نمایش می‌گذارد.
کاربردهای گسترده در صنایع مختلف
تانگ در خصوص کاربردهای بالقوه این فناوری می‌گوید: این دستگاه‌های کوچک و قدرتمند می‌توانند برای طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند، از جمله محاسبات کوانتومی، ارتباطات پرسرعت داده، استفاده در ماهواره‌ها و همچنین در اسکن‌های پیشرفته پزشکی؛ زمینه‌هایی که در آن‌ها دریافت تصویر واضح و کسب اطلاعات دقیق در مورد نور و رنگ از اهمیت حیاتی برخوردار است.
به گفته محققان، آن‌ها در نظر دارند در آینده دستگاه‌هایی با قابلیت‌های تنظیم و کنترل به مراتب بیشتری را بر اساس این فناوری نوظهور طراحی و تولید کنند.
نتایج این تحقیق پیشگامانه در مجله معتبر Nature Photonics به چاپ رسیده است و نویدبخش تحولی بنیادین در عرصه فناوری‌های نوری در آینده‌ای نزدیک است.
