لقد تحدى باحثون من التخنيون حدود ما هو ممكن في مجال البصريات المغزلية على المستوى الذري. لقد طوروا ليزرًا مغزليًا من طبقة ذرية واحدة، وهو جهاز لا يتطلب مجالات مغناطيسية أو درجات حرارة منخفضة
طور الباحثون في التخنيون ليزرًا ضوئيًا متماسكًا ومتماسكًا يعتمد على طبقة ذرية واحدة. الاكتشاف المبتكر، الذي نشر في المجلة المرموقة مواد الطبيعة، يسمح بالتحكم فييلف الفوتونات المنبعثة من مادة ثنائية الأبعاد وتمهد الطريق لأجهزة ضوئية جديدة تعتمد على "البصريات الدورانية على المقياس الذري".
يعتمد هذا الاكتشاف على تفاعل طبقة ذرية واحدة مع مرنان ثنائي الأبعاد تم تحقيقه بمساعدة تقنية النانو المتقدمة. الموجات الكهرومغناطيسية (الضوء)، والتي تتصرف أيضًا كجسيمات عديمة الكتلة تسمى الفوتونات، لها خاصية داخلية - "لف" الفوتونات. ويعتمد الدوران، وهو الزخم الزاوي الداخلي للفوتونات، على اتجاه الاستقطاب الدائري للضوء. يستفيد البحث من خاصية الفوتونات هذه، ويمهد الطريق لدراسة الظواهر المتماسكة المعتمدة على الدوران في السياق الكلاسيكي والكمي ويفتح آفاقًا جديدة للبحث الأساسي والأجهزة الإلكترونية الضوئية القائمة على دوران كل من الإلكترونات والفوتونات.
تم إجراء البحث ضمن المجموعة البحثية للبروفيسور إيرز هاسمان، رئيس مختبر الضوئيات الذرية في التخنيون، بالتعاون مع البروفيسور إيلاد كورين، رئيس مختبر المواد النانوية الإلكترونية والمكونات النانوية في كلية علوم المواد والكيمياء. الهندسة في التخنيون، والبروفيسور أريئيل يشما من جامعة تل أبيب. تحافظ مجموعتا البحث من التخنيون على التعاون من خلال معهد راسل بيري لتقنية النانو في التخنيون (RBNI) ومركز هيلين ديلر الكمي في التخنيون. تم إجراء البحث وإدارته من قبل الدكتور كيكسيو رونغ، طالب ما بعد الدكتوراه من مجموعة البروفيسور هاشمان، بالتعاون مع الباحثين التاليين:
دكتور. شياويانغ دوان، د. بو وانغ، د. فلاديمير كلاينر، د. أسيل كوهين، د. براناب ك. موهاباترا، د. أفيناش باتشا، د. سوبرجيت موخرجي، ودرور رايشنبرج، وتشيه لي ليو، وفلادي جوروفوي.
ما هي المواد ثنائية الأبعاد؟ وفقًا للبروفيسور كورن، "في عام 2004، تم فحص إمكانية إنشاء طبقة ذرية واحدة لأول مرة عندما قام الفيزيائيان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسلوف، الحائزان لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء (2010)، بتطوير طريقة بسيطة لإنشاء طبقات ذرية واحدة من ذرات الكربون. يعلق الاثنان ورقة لاصقة على قطعة من الجرافيت ويقشران المادة طبقة بعد طبقة حتى الحصول على طبقة واحدة من الذرات تعرف بالجرافين. وأظهروا أن الطبقة الذرية للمادة تختلف كثيرًا في خصائصها عن خصائص المادة في شكلها ثلاثي الأبعاد. إنها مادة أقوى بمئة مرة من الفولاذ ولها خصائص كهربائية غير عادية، ووفقا للتقديرات، من المتوقع أن تحدث ثورة في الموصلات وأشباه الموصلات، وشاشات العرض والخلايا الشمسية وغيرها. وبعد هذا الاكتشاف، تم تطوير الطبقات الذرية من مواد أخرى، وأظهرت أيضًا خصائص مدهشة وفريدة من نوعها.
يتابع البروفيسور هاسمان ويوضح: "بعد اكتشاف الجرافين، تم اكتشاف ودراسة العديد من المواد ثنائية الأبعاد، مثل أشباه الموصلات المختلفة، والتي تتيح أيضًا الحصول على خصائص بصرية مثيرة للاهتمام. تعتمد الرقائق الإلكترونية القياسية على السيليكون، مما يحد بشكل كبير من تطوير الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر التي تتطلب مزيجًا من الإلكترونيات والضوئيات، ويرجع ذلك جزئيًا إلى عدم وجود حالة أساسية تسمى "فجوة الطاقة المباشرة" في السيليكون. ولدهشتنا، تم اكتشاف نفس فجوة الطاقة المباشرة في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، مما يجعل من الممكن الجمع بين الضوئيات والإلكترونيات على مقياس النانومتر، لإنتاج مصادر الضوء والأجهزة الضوئية النشطة، وتمهيد الطريق للأجيال القادمة من الرقائق ".
لتقليل الشريحة الإلكترونية وزيادة سرعة المعالجة ومعدل نقل المعلومات بشكل كبير، فإن النهج المقبول اليوم هو الإلكترونيات السبينية - إجراء العمليات على الدوران، وهو أحد الخصائص المهمة للإلكترون، وليس على تدفق الإلكترون. قبل بضع سنوات أسس البروفيسور إيريز هاشمان مجالاً جديدًا يسمى البصريات تدور، مما يجعل من الممكن الاستفادة من دوران الفوتونات عبر الأسطح الخارقة لصالح نقل ومعالجة المعلومات في الرقائق الضوئية. يعتمد نقل المعلومات على التحكم في الدوران الضوئي بمساعدة الضوئيات النانوية - البصريات على مقياس النانومتر.
يوضح الدكتور كيشو رونغ، "تتميز المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد بمستويات طاقة يعتمد انبعاثها على الدوران، وهذا بسبب كسر تماثل المرآة. قرر الباحثون في التخنيون الاستفادة من هذه الميزة وربط طبقة ذرية واحدة (WS2 بالنسبة لمرنان ثنائي الأبعاد (سطح فوقي) يعتمد على هوائيات نانوية تمكن من كسر التناظر في الدوران الفوتوني واستقبال الليزر من شريحة على المقياس الذري الذي يتيح مصدر ضوء متماسك وأحادي اللون أثناء التحكم في المعلومات ومعالجتها في الدوران الفوتوني."
وفي عام 2020، نشر باحثون من التخنيون في المجلة طبيعة التكنولوجيا النانوية القدرة على استقبال مصدر الضوء"عادي" مع خصائص الدوران من مادة ثنائية الأبعاد وسطح بصري، عندما كانت الفوتونات غير مرتبطة من حيث السقوط والطول الموجي والاتجاه ("مثل مصباح يدوي مع ضوء منتشر")، لكن التحدي الذي لا يزال قائماً هو تنسيق الفوتونات وإنشاء ليزر مغزلي ينبعث منه ضوء موجه، مع استخدام المادة ثنائية الأبعاد كمصدر للتضخيم عن طريق الانبعاث القسري. ويشير البروفيسور هاسمان إلى أننا "حققنا هذا الهدف من خلال إنشاء مجال مغناطيسي فعال يفصل ويتحكم في حالات دوران الليزر في هذه الأبعاد، وهو ما لا يتطلب نظامًا إضافيًا - مجال مغناطيسي قوي لتوليده (مثل زيمان أو تأثير فاراداي) ودرجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، وإنشاء مرنان يتيح وجود دراجات ذات دوران مع الحد الأدنى من الخصائص المفقودة. وكما ذكرنا، فإن نجاحهم يمهد الطريق لطرق جديدة لإنشاء أجهزة ليزر صغيرة قد تساعد في تطوير تطبيقات مهمة متنوعة ومتنوعة.
ويشير البروفيسور هاشمان بفخر إلى أن "الإصدار المرموق الحالي يوضح أهمية البحث متعدد التخصصات الذي يجمع بين الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد والهندسة ودمج طلاب ما بعد الدكتوراه الدوليين في مجموعات البحث."
تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (ISF)، وخطة RBNI's Germ (التعاون البحثي بين المجموعات في التخنيون). تم تصنيع المكونات في مركز سارة وموشيه زيسافيل للإلكترونيات النانوية (MNFU) في التخنيون.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
