العرض السمعي البصري

تقارير مجلة ساينس عن ملاحظة تجريبية غير مسبوقة أجراها باحثون في التخنيون - تتبع في الوقت الحقيقي لحركة موجة صوتية خفيفة مجتمعة تتحرك عبر مادة ذات سماكة الذرات الفردية. وتمكن الباحثون من متابعة حركة الموجة منذ تكوينها وحتى اضمحلالها النهائي

مجلة العلوم تعلن عن أول نجاح فيرسم خرائط لحركة الضوء في مادة ثنائية الأبعاد في الوقت الفعلي. وباستخدام المجهر الإلكتروني، تابع الباحثون في التخنيون حركة موجة متكاملة - تتحرك موجة صوتية وموجة ضوئية في هذه المادة كقطعة واحدة. ولا يعد هذا النجاح إنجازًا علميًا فحسب، بل يعد أيضًا بمثابة فتح للعديد من الإنجازات التطبيقية، لأن النبضات القصيرة هي حجر الأساس للاتصالات البصرية ونقل المعلومات في العالم الحديث.

تم قيادة البحث ד"ر. إيدو كامينر، رئيس مختبر ديناميكيات الكم لحزم الإلكترون ص"س.روبرت وروث ماجد، وطالبة الدكتوراه يانيف كورمان من كلية الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ص"سؤال: أندرو وإيرنا فيتربي في التخنيون. الدكتور كامينر هو أيضًا عضو في معهد راسل بيري لتقنية النانو (RBNI) ومركز هيلين ديلر الكمي. كما شارك في الدراسة رافائيل دهان، والدكتور كانجفينج وانج، ومايكل ياناي، ويوفال أديب، وأوري راينهاردت من مختبر الدكتور كامينر AdQuanta وباحثون من جامعات في الولايات المتحدة وإسبانيا وفرنسا.

تعتبر المواد ثنائية الأبعاد، أي الهياكل التي يبلغ سمكها ذرة واحدة، اكتشافًا جديدًا ومجالًا بحثيًا جديدًا نسبيًا؛ فقط في عام 2004 تم تطوير مثل هذه المادة لأول مرة من قبل الفيزيائيين أندريه جيم وكونستانتين نوفوسلوف، الحائزين لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء (2010). وباستخدام ورق لاصق بسيط، قام الاثنان بتقشير طبقات رقيقة من كتلة من الجرافيت حتى وصلا إلى طبقة رقيقة تعرف اليوم باسم "الجرافين". وأظهروا أن خصائص هذه الطبقة -الموصلية والقوة وما إلى ذلك- تختلف كثيرًا عن خصائص كتلة الجرافيت من حيث القوة والتوصيل الكهربائي.

على مر السنين، أصبحت خصائصها واضحة أيضابصريات تفرد الجرافين والمواد المختلفة ثنائية الأبعاد. وتبين أن موجات الضوء عند ترددات معينة تهتز ذرات المادة ثنائية الأبعاد بطريقة تؤثر فيها الموجة الصوتية على الموجة الضوئية. أنشأ باحثو التخنيون موجة "صوتية وخفيفة" مدمجة في المادة التي تتحرك كقطعة واحدة. وهذا بالطبع غير بديهي، لأن سرعة الضوء التي نعرفها جميعًا (حوالي 300 مليون متر في الثانية) أعلى بحوالي مليون مرة من سرعة الصوت (حوالي 340 مترًا في الثانية). لكن التفسير هو مسألة البيانات عندما يتعلق الأمر بالحركة في الهواء الحر تعمل المادة ثنائية الأبعاد على إبطاء الضوء وتسريع الصوت وبالتالي فإن الحركة المشتركة لهذين النوعين من الموجات ممكنة.

موجة متكاملة

كان وجود الموجة المدمجة في المادة معروفًا بالفعل، ولكن حتى الآن لم يتم فك رموز نمط تقدمها. والآن، كما ذكرنا، تمكن باحثو التخنيون من رسم خريطة لحركة الموجة المتكاملة في المادة ثنائية الأبعاد وتتبع حركتها منذ تكوينها حتى اضمحلالها النهائي.

أرسل باحثو التخنيون دفقات ليزر (نبضات) إلى حواف النموذج (البنية ثنائية الأبعاد) التي خلقت الموجات الهجينة في المادة. اكتشف الباحثون أن هذه الموجات تنتقل بسرعة أبطأ بنحو 1,000 مرة من سرعة الضوء في الهواء الحر (وأسرع بنحو 1,000 مرة من سرعة الصوت في الهواء الحر).

لكن تلك لم تكن المفاجأة الوحيدة. ووفقا للدكتور كامينر، "لقد اكتشفنا أن الموجة المتكاملة تغير سرعتها في المادة تلقائيا - فهي تتسارع وتتباطأ". والمفاجأة الأخرى هي أن الموجة تنقسم إلى نبضتين مختلفتين تتحركان بسرعات مختلفة." والنتيجة الموضحة في الصورة والفيديو المرفقين هي نتاج مليارات من هذه القياسات.

تم إجراء التجربة بأكملها باستخدام المجهر الإلكتروني فائق السرعة (TEM فائق السرعة). يتيح هذا المجهر متابعة الموجة المتكاملة بدقة غير مسبوقة للزمان والمكان. على عكس المجهر الضوئي الذي يقتصر على حد الحيود، في المجهر الإلكتروني المخترق تمر الإلكترونات عبره דרך النموذج ويمكن أن يصل إلى الدقة المكانية الذرية. أصبح تحليل الوقت ممكنًا بمساعدة الليزر النبضي الذي يثير كلاً من ما تريد قياسه في النموذج وكذلك الإلكترونات التي يتم قياسها. ولتفسير الأذن فهي 50 فمتوثانية، أي 50X10^-15 من الثانية (عدد الإطارات في الثانية يساوي عدد الثواني في مليون سنة).

وبحسب كورمان، "عليك أن تفهم أن الموجة المتكاملة، أو النبضة، تتحرك مباشرة داخل المادة ثنائية الأبعاد، وبالتالي من المستحيل النظر إليها من الخارج باستخدام المجهر الضوئي العادي. يتم إجراء جميع قياسات الضوء في المواد الذرية تقريبًا بواسطة الفحص المجهري الذي يلامس المادة، ولكن أي اتصال من هذا القبيل يتداخل مع حركة الموجة. لا يمكن الحصول على النتائج التي توصلنا إليها بالطرق الحالية، وبالتالي، فإننا نقدم هنا ما هو أبعد من الاكتشاف العلمي الحالي طريقة قياس لم يسبق لها مثيل في هذا المجال من البحث وستكون ذات صلة بالعديد من الاكتشافات الأخرى."

وقد شكل بناء الإعداد التجريبي تحديًا تكنولوجيًا كبيرًا، ومن الإنجازات الأخرى في البحث الحالي إطلاق نبضة ليزر ترددية تحت الحمراء داخل المادة ثنائية الأبعاد في المجهر الإلكتروني. ويؤكد كورمان والدكتور كامينر أن هذا النجاح تحقق بفضل طالب الدكتوراه رافائيل دهان الذي كان مهندس المختبر وقت التجربة. أتاحت التحسينات التي أدخلها داهان على النظام إرسال نبضات ضوئية إلى النموذج الذي ولد الموجة الهجينة وفي الوقت نفسه جعل المجهر يرسم خريطة لحركة الموجات.

وعلى الرغم من كونه علمًا خالصًا، إلا أن الباحثين يقدرون أنه سيكون له أبحاث وتطبيقات أخرى. ووفقا للدكتور كامينر، "في الخطوة الأولى سنكون قادرين على استخدام النظام لدراسة الظواهر الفيزيائية المختلفة التي لا يمكن الوصول إليها بأي طريقة أخرى. نحن نخطط لتجارب تتعلق بقياس دوامات الضوء، وتجارب في نظرية الفوضى، وحتى محاولات لتصميم وحدات حوسبة كمومية جديدة. من وجهة نظر هندسية، قد تسمح النتائج التي توصلنا إليها بإنتاج ألياف بصرية سميكة ذريًا، والتي سيتم وضعها مباشرة داخل الدوائر الكهربائية وبالتالي نقل المعلومات دون تسخين الدائرة - وهي مهمة تواجه حاليًا العديد من التحديات بسبب تصغير الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية. أجهزة أخرى."

نتائج مفاجئة

اعتمدت الدراسة على تعاون جديد مع مجموعات بحثية رائدة في الولايات المتحدة (البروفيسور جيمس إدغار، جامعة ولاية كانساس)، وفرنسا (البروفيسور ماتيو كوسياك، جامعة باريس ساكلاي)، وإسبانيا (البروفيسور فرانك كوبينز وباحث ما بعد الدكتوراه). زميل الدكتورة حنان هيرزيج شينفوكس، ICREA، ICFO).

إنه يثير اهتمامًا كبيرًا في المجتمع العلمي، كما يتضح من قبول المقال في مجلة Science المرموقة وفي المراجعات التي أدت إلى قبوله. وقال البروفيسور هارالد جيسن من جامعة شتوتغارت، الذي لم يشارك في البحث: "لقد فاجأتني النتائج". "هذا إنجاز حقيقي في مجال البصريات النانوية فائقة السرعة، تم تحقيقه بفضل العمل العلمي المبتكر والرائد. إن المراقبة في الفضاء الحقيقي وفي الوقت الحقيقي هي، على حد علمي، غير مسبوقة."

وعلق الفيزيائي البروفيسور جون جوانوبولوس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على البحث وقال إن "عمل أدو كامينر وأعضاء مجموعته وزملائه يعد خطوة مهمة نحو البحث وفهم الخصائص الديناميكية للموجة المتكاملة. مثل هذه الموجات، على سبيل المثال الحزم الموجية في المواد ثنائية الأبعاد، رائعة من الناحية العلمية والتكنولوجية. ويسمح البحث الذي يتم نشره الآن لأول مرة بملاحظة تجريبية مباشرة للخصائص الزمانية والمكانية لهذه الموجات في المواد ثنائية الأبعاد، وهذا له أهمية كبيرة في هذا المجال".

ד"آر أدو كامينر حصل على جائزة بلافاتنيك لعام 2021 للباحثين الشباب في فئة العلوم الفيزيائية والهندسة، وتم قبوله مؤخرًا في أكاديمية الشباب الإسرائيلية.

يانيف كورمان، 31 عامًا، بدأ الدراسة في التخنيون عام 2012 للحصول على درجة البكالوريوس المزدوجة في الهندسة الكهربائية والفيزياء ومن هناك تابع إلى درجة الماجستير والدكتوراه في المسار المباشر تحت إشراف الدكتور أدو كامينر في كلية فيتيربي للهندسة. الهندسة الكهربائية والحاسوب.

لمقالة في العلوم 

• يلتقي الفوتون والإلكترون داخل البلورة الضوئية
• ومن المتوقع أن تؤدي مصادر الإشعاع الدقيقة إلى تحقيق اختراقات في التصوير الطبي وغيره من المجالات
• بحث جديد حول الطريقة التي يعمل بها الدماغ قد يساعد في فهم الأمراض التنكسية العصبية
• الموجات الثلاث للذكاء الاصطناعي التي ستشكل المستقبل
• تطوير دائرة متكاملة من البكتيريا