بدأ الأمر بنتائج تجريبية غريبة جدًا، واستمر بنظرية فيزيائية جديدة حول سلوك الفوتونات، وفي المستقبل قد يؤدي ذلك إلى تحسين شاشات هواتفنا الذكية وتمكين اتصال أسرع للبيانات
أحدثت شاشات OLED ثورة في مجال الإلكترونيات المنزلية. إن شاشات العرض الشفافة والرفيعة والمرنة والفعالة من حيث التكلفة، والتي من بين أشياء أخرى من سمات الهواتف الذكية، تتفوق في عدة جوانب على شاشات LCD أو شاشات البلازما. ومع ذلك، على الرغم من أنها تعتبر أكثر اقتصادا في استهلاك الكهرباء، إلا أنها لا تزال مهدرة إلى حد كبير: حوالي نصف الضوء الذي تنتجه يذهب إلى البالوعة بسبب وجود قيد كان يعتبر حتى الآن بسبب الخصائص الفيزيائية للضوء، وبالتالي لا مفر منه . مبقيادة علماء معهد وايزمان للعلوم، قد يغير الصورة في جميع النواحي. طريقة جديدة طورها البروفيسور. بينغهاي يان من قسم فيزياء المواد المكثفة وزملائه الباحثين، يسمح بالتحكم في ميزة مهمة للضوء وبالتالي مضاعفة سطوع شاشات OLED أو، بدلاً من ذلك، تحسين كفاءتها في استخدام الطاقة بشكل كبير. علاوة على ذلك، قد تسمح الطريقة الجديدة باتصال أسرع للبيانات.
لفهم هدر الضوء الذي يحدث حتى في الشاشات الأكثر تقدمًا في السوق، يجب على المرء أولاً أن يتطرق إلى ظاهرة طبيعية أساسية تُعرف باسم "اللامركزية". בביולוגיה ובכימיה, כיראליות מתייחסת למולקולות שהן תמונת ראי האחת של השנייה, כלומר הן זהות מבחינה כימית, אך נבדלות במבנה המרחבי שלהן ולא ניתן להציבן כך שיחפפו זו את זו – ממש כמו כף יד ימין וכף יד שמאל שלנו (המושג כיראליות מקורו במלה היוונית שמשמעה “ يد"). قد يعمل جزيئين متطابقين ولكنهما مراوان بطرق مختلفة تمامًا. على سبيل المثال، من المعروف أن جزيء الأسبارتام هو مُحلي، في حين أن نظيره اللولبي ليس مُحليًا على الإطلاق. توجد في صناعة الأدوية جزيئات كيرالية، نسخة واحدة فقط منها تشفى، في حين أن النسخة الأخرى تكون في أفضل الأحوال عديمة الفائدة، بل وفي بعض الأحيان ضارة. ومع ذلك، في الفيزياء، تشير اللامركزية إلى دوران الجسيمات بالنسبة لمحور حركتها. أي أنه عندما تتحرك الفوتونات أو الإلكترونات عبر الفضاء، فإنها تدور أيضًا حول محورها. عندما يكون الدوران مع اتجاه حركتها، مثل رصاصة البندقية، فإن عدم تناظر الجسيمات يكون في الاتجاه الأيمن؛ عندما يكون في الاتجاه المعاكس، فإن عدم تناظرهم يكون أعسرًا.
ومن المثير للاهتمام أن الأنواع المختلفة من عدم التناظر - الفيزيائي والكيميائي الحيوي - تتوافق مع بعضها البعض: على سبيل المثال، من المعروف الآن أن عدم التناظر الهندسي للجزيئات العضوية يحدد أيضًا عدم تجانب الجزيئات التي تمر عبرها.
وماذا عن Chirality للهواتف الذكية؟ حسنًا، شاشات OLED مغلفة بطبقة خارجية شفافة مصنوعة من مادة مرآوية تقوم بتصفية جزيئات الضوء (الفوتونات) وفقًا لحالتها اللامركزية. يعد هذا الترشيح ضروريًا لتحييد الضوء المحيط، والذي يتضمن فوتونات ذات انطباقية يمينًا ويسارًا، وبالتالي قد يقلل من تباين الشاشة ويجعل مشاهدتها في وضح النهار أكثر صعوبة. تعد طبقة الترشيح هذه ضرورية بالفعل لتشغيل أنظمة عرض الضوء - حاول التنقل بهاتفك الذكي عند الظهر بدونها - ولكنها مهدرة، نظرًا لأن عدم تناظر حوالي نصف الفوتونات التي ينتجها الجهاز لا تتطابق مع الطبقة الخارجية طبقة وبالتالي لا تصل إلينا.
""لقد اكتشفنا وحدة مثيرة للاهتمام بين جوانب مختلفة من عدم الانطباقية، والتي تبدو منفصلة عن بعضها البعض: الهندسة الهيكلية للمادة، وعدم انطباقية تيار الإلكترون، والآن أيضًا عدم انطباقية الضوء"
في الدراسة الجديدة، يقدم البروفيسور يان وفريقه طريقة فعالة للتحكم في عدم تناظر الفوتونات من خلال التحكم في تدفق الإلكترونات - وهو أمر كان يعتبر مستحيلا حتى الآن. وطريقة تحقيق ذلك هي من خلال مكونات OLED التي تبعث الضوء في اتجاهين متعاكسين في نفس الوقت: للأمام، إلى المستخدم النهائي، والخلف، إلى سطح مطلي ببوليمر حلزوني مثبت على الجزء الخلفي من شاشات العرض. وبهذه الطريقة، سيمر نصف الضوء الناتج عبر الطبقة الخارجية دون انقطاع، كما هو الحال اليوم، لكن باقي الضوء لن يضيع: سيضرب الطبقة الموجودة في الجزء الخلفي من الشاشة وسينعكس chirality والسماح لها بالوصول إلينا. ولكن كيف يغير عاكس البوليمر الموجود في الجزء الخلفي من الجهاز عدم تناظر الفوتونات؟
نتائج غريبة - ولا مفر منها
حسنًا، بدأت القدرة على عكس لامركزية الفوتونات بنتائج تجريبية غريبة جدًا أجراها الدكتور لي فان، الذي كان آنذاك باحثًا ما بعد الدكتوراه في جامعة لينكوبينج في السويد. يتذكر البروفيسور جان: "تتناقض هذه النتائج مع كل ما كان معروفًا في هذا المجال". "وجد علماء آخرون صعوبة في تصديق النتائج. قالوا إن شيئًا ما قد حدث خطأً في التجارب."
وعلى عكس ما كان معروفًا في ذلك الوقت، أظهر الدكتور فان ومشرفه في ذلك الوقت، البروفيسور ألاسدير كامبل، أنهما يستطيعان عكس عدم التناظرية لتيار الإلكترون عن طريق عكس قطبية البطارية التي تنتج تيارًا كهربائيًا. وكان البروفيسور كامبل مقتنعاً بأنهم اكتشفوا شيئاً مهماً، لكنه توفي عام 2021، دون أن يجد تفسيراً نظرياً للنتائج التجريبية الغريبة. بعد وفاته، اتصل الدكتور فان بالبروفيسور يان، بعد مشاهدة محاضرة على الإنترنت، يشرح فيها البروفيسور يان من خلال فيزياء الكم كيف تحدد عدم انطباقية المادة عدم تطاير تيار من الإلكترونات.
بعد مناشدة الدكتور فان، بدأ البروفيسور يان في تحليل النتائج التجريبية الغريبة مع عالمين آخرين: الدكتور ييتشو ليو من قسم فيزياء المواد المكثفة في المعهد والبروفيسور ماثيو جي بوشتر من إمبريال كوليدج لندن. وبفضل هذه النتائج، قام البروفيسور يان بتوسيع نظريته حول اللامركزية وأظهر كيف أن هذه نتائج حتمية للنظرية التي طورها بنفسه. مهدت هذه الاكتشافات الجديدة الطريق للعلماء للتحكم في لامركزية الضوء المنبعث من تيار الإلكترون: كل ما كان عليهم فعله هو استخدام بوليمر لامركزي يسمح بالتحكم في لامركزية تيار الإلكترون وبالتالي أيضًا في الفوتون. تدفق.
"لقد اكتشفنا وحدة مثيرة للاهتمام بين جوانب مختلفة من عدم الانطباقية، والتي تبدو منفصلة عن بعضها البعض: الهندسة الهيكلية للمادة، وعدم انطباقية تيار الإلكترون، والآن أيضًا عدم انطباقية الضوء"، يلخص البروفيسور جان البحث الجديد. .
إلى جانب إنتاج شاشات أكثر كفاءة، يمكن لنتائج البحث أن تحسن بشكل كبير مجال نقل البيانات الرقمية من خلال إنشاء مفاتيح ضوئية تعمل بسرعة أعلى بكثير من المفاتيح الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، تشير نتائج الدراسة إلى ضرورة تحديث الكتب المدرسية المتعلقة باللامركزية.
إن حقيقة وصول البروفيسور يان إلى هذه الاكتشافات في معهد وايزمان تحديدًا لها معنى شخصي بالنسبة له. ولد البروفيسور يان في الصين وجاء إلى إسرائيل بعد إقامته في الولايات المتحدة وألمانيا كباحث ما بعد الدكتوراه. مستوحاة من دراسة أجراها البروفيسور رون نعمان من المعهد عام 2011، بدأ البروفيسور يان في التعمق في العلاقات المتبادلة بين الأنواع المختلفة من اللامركزية. وفي عام 2017، بعد أن كان قد انضم بالفعل إلى هيئة تدريس المعهد وانتقل إلى إسرائيل مع زوجته وطفليه، سقطت العربة عليه، وهو الآن زميل للبروفيسور نعمان - الذي أشعل اهتمامه بالإسرائيليين في المكان الأول. قال البروفيسور جان: "إنها تغلق دائرة بالنسبة لي، ولها أيضًا قيمة مضافة: يمكنني من وقت لآخر أن أقفز إلى رون ونشرب القهوة معًا أثناء الحديث عن عدم التناظر".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
