قام فريق مشترك من الباحثين من التخنيون وألمانيا بتطوير مجموعة متماسكة من أجهزة الليزر العمودية - وهي تقنية كانت تعتبر مستحيلة حتى سنوات قليلة مضت
طور باحثون إسرائيليون وألمان مجموعة تتكون من العديد من أجهزة الليزر العمودية الصغيرة ولكنها تعمل كمصدر ضوء واحد، وكلها في حجم حبة رمل. تم مؤخرًا نشر هذا الاختراق الذي حققه باحثون من جامعة التخنيون وفورتسبورغ في مقال مشترك في المجلة المرموقة علوم.
Vixels (VCSELs) عبارة عن أجهزة ليزر صغيرة تلعب دورًا أساسيًا في مجموعة واسعة من التطورات التكنولوجية بما في ذلك الهواتف المحمولة وأجهزة استشعار السيارات وشبكات الألياف الضوئية لحركة البيانات. إن أبعادها الصغيرة، والتي تعد بالطبع ميزة كبيرة في هذه التطبيقات وغيرها، تضع حدًا على الطاقة الضوئية المنبعثة منها. وبعبارة أخرى، فإنها تنتج إشعاعًا محدود الشدة للغاية. لسنوات عديدة، حاول العلماء زيادة هذه القوة من خلال ربط العديد من وحدات الفوكسيل الصغيرة وإجبارها على العمل بمثابة ليزر واحد متماسك، ولكن حتى الآن لم يتم تحقيق أي نجاح كبير. ومن هنا تأتي أهمية الاختراق المنشور فيعلوم: ليزر متماسك يتكون من عدة وحدات فوكسل. ويكمن مفتاح هذا الإنجاز في الترتيب الهندسي الفريد للفوكسيلات الموجودة على الشريحة الضوئية؛ يعتمد هذا الترتيب، الذي يجبر الضوء على التحرك والتدفق في مسار معين، على منصة عازل ضوئي طوبولوجي.
من العوازل الطوبولوجية إلى الليزر الطوبولوجي
العوازل الطوبولوجية هي مواد كمومية ثورية تتميز بأنها على سطحها توصل الكهرباء، علاوة على ذلك، فهي توصلها دون فقدان الطاقة، أما في الداخل فهي عوازل، أي أنها لا توصل الكهرباء على الإطلاق. قامت مجموعة البحث المؤلفة من البروفيسور موردخاي (موتي) سيغيف من كليات فيتربي للفيزياء والهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في التخنيون بتنفيذ هذه الأفكار المبتكرة في مجال الضوئيات منذ بضع سنوات عندما قدموا أول عازل طوبولوجي ضوئي. وفي هذا النظام يتحرك الضوء حول حواف مصفوفة ثنائية الأبعاد من موجهات الموجات، حيث لا تتأثر هذه الحركة بوجود عيوب أو اضطراب. فتح هذا البحث مجالًا جديدًا للبحث يُعرف اليوم باسم "الضوئيات الطوبولوجية" ويعمل به مئات المجموعات البحثية حول العالم. في عام 2018، تطورت مجموعة أبحاث البروفيسور سيغيف طريقة لاستخدام خصائص العوازل الطوبولوجية الضوئية لجعل العديد من أشعة الليزر متماسكة معًا وتعمل بشكل متماسك مثل ليزر واحد. ولكن مع ذلك، حتى في هذا النظام كان هناك حد للطاقة: كان الضوء المنبعث من الليزر ينبعث داخل مستوى الشريحة الضوئية، وهو أيضًا نفس المستوى الذي يتقدم فيه الضوء بين الليزر والليزر. أدى انبعاث الضوء داخل الطائرة إلى الحد من القدرة على استخراج الضوء بكفاءة من مصفوفة الليزر وخلق عنق الزجاجة. وهذا يعني أن الجهاز الذي يطفئ الضوء يحد بشدة من طاقة الخرج، على غرار مأخذ كهربائي واحد تستخدمه محطة طاقة بأكملها. يعتمد الاختراق الحالي على طريقة مختلفة: يتم "قفل" أشعة الليزر من خلال مرور الفوتونات بين أشعة الليزر داخل مستوى الشريحة الضوئية، ولكن الضوء ينبعث الآن بشكل عمودي على الشريحة، وينبعث من السطح، مما يسمح بذلك يمكن جمع شعاع الضوء الإجمالي بسهولة.
تم إطلاق هذا المشروع البحثي الإسرائيلي الألماني خلال وباء كورونا، وبالتالي يتطلب التزامًا كبيرًا بشكل خاص من جميع الباحثين المشاركين. أجرى البحث طالب الدكتوراه أليكس ديكوبولتسيف من مجموعة بحث البروفيسور سيغيف، بالتعاون مع طالب الدكتوراه إيران لوستيج والدكتور كوبي لومير من التخنيون، وطالب الدكتوراه تريستان هاردر من مجموعة البحث البروفيسور سيباستيان كلامبيت والبروفيسور. سفين هوفلينج من جامعة فورتسبورج في ألمانيا بالتعاون مع باحثين من فيينا وأولدنبورج.
الطريق الطويل إلى الليزر الطوبولوجي الجديد
وقال: "إنه لأمر رائع أن نرى كيف يتطور العلم". البروفيسور سيغف، صاحب كرسي الدكتور بوب شيلمان وعضو الأكاديمية الوطنية للعلوم في إسرائيل. "من المبادئ المبتكرة في الفيزياء الأساسية، انتقلنا إلى تغييرات أساسية في الفيزياء الطوبولوجية والآن أنشأنا تقنية حقيقية تبدي الشركات التجارية اهتمامًا بها بالفعل. وفي عام 2015، عندما بدأنا العمل على أجهزة الليزر المعزولة طوبولوجيًا، لم يعتقد أحد أن ذلك ممكن، لأن معرفة الفيزياء الطوبولوجية في ذلك الوقت كانت مقتصرة على الأنظمة التي لا تحتوي على الإنسان - وعلاوة على ذلك - لا يمكن أن تحتوي على الإنسان. لكن الليزر يعتمد على الإنسان، لذا فإن فكرة الليزر المعزول طوبولوجياً تتعارض مع كل ما كان معروفاً في ذلك الوقت. كنا مثل مجموعة من "الأوهام" نبحث عن شيء كان يعتبر مستحيلاً. وبعد طريق طويل، خطونا الآن خطوة كبيرة نحو تكنولوجيا حقيقية لها العديد من التطبيقات."
استخدمت مجموعات البحث في إسرائيل وألمانيا مبادئ الضوئيات الطوبولوجية لمجموعة من وحدات الأكسيل التي تبعث الضوء عموديًا، بشكل متعامد مع مستوى الشريحة الضوئية، في حين أن العملية الطوبولوجية المسؤولة عن التماسك التي تجعل وحدات الأكسل تعمل بمثابة ليزر واحد يحدث في مستوى الشريحة. والنتيجة النهائية هي ليزر قوي ولكنه مضغوط وفعال للغاية ولا يقتصر على عدد وحدات الفوكسيل ودون أن يتأثر بالعيوب أو التغيرات في درجات الحرارة.
ويوضح قائلاً: "يمكن للمبدأ الطوبولوجي لهذا الليزر أن يعمل بشكل عام على جميع الأطوال الموجية، وبالتالي على مجموعة متنوعة من المواد". البروفيسور سيباستيان كلامبيت من جامعة فورتسبورغ. "إن عدد أجهزة الليزر الدقيقة التي يمكن توصيلها بهذه الطريقة سيعتمد دائمًا بشكل كامل على التطبيق. يمكننا توسيع شبكة الليزر إلى شبكة كبيرة جدًا، وستظل متماسكة بشكل أساسي حتى مع وجود عدد كبير من أجهزة الليزر. ومن الرائع أن نرى أن الطوبولوجيا، التي كانت في الأصل فرعًا من الرياضيات، أصبحت أداة جديدة وثورية للتحكم في خصائص الليزر وتوجيهها وتحسينها."
أظهر البحث الرائد أنه من الممكن نظريًا وتجريبيًا الجمع بين وحدات الفيكسل للحصول على ليزر عالي الكفاءة على شريحة ضوئية. ولذلك فإن نتائج البحث تمهد الطريق لتطوير تقنيات المستقبل في العديد من المجالات، بما في ذلك الهواتف المحمولة والأجهزة الطبية والاتصالات والنقل.
تم إجراء البحث في معهد الحالة الصلبة بالتعاون مع مركز هيلين ديلر الكمي ومعهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو (RBNI) في التخنيون.
إلى المقالة التي تظهر في العلوم انقر هنا
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
