ويمكن استخدام هذا الاكتشاف كأداة اختراق في عوالم إنتاج الطاقة الشمسية ومعالجة المعلومات وما شابه
الفوتونات هي جسيمات ضوئية تتحرك بحرية وبسرعة هائلة تبلغ 300,000 ألف كيلومتر في الثانية. وفقا لنظرية الكم، يمكن "خلط" المادة مع الفوتونات باستخدام هياكل اصطناعية وإنشاء مخلوق هجين يسمى "بولاريتون". منذ حوالي عقد من الزمن، تم اكتشاف أنه يمكن استخدام البولاريتونات للتحكم في خصائص المواد والعمليات الكيميائية.
أنشأت دراسة جديدة في جامعة تل أبيب نظام تصوير فائق السرعة تمكنوا من خلاله من التنبؤ بسلوك الجسيمات التي تسمى "البولاريتونات" - وهي الجسيمات التي يتم إنشاؤها من "خلط" الضوء والمادة. ولأول مرة، تمكنوا من فحص هذه المواد وفهم سلوكها الخاص: كلما زاد "الضوء" الذي تحتوي عليه، أصبحت أسرع وأكثر كفاءة.
أُجري البحث بقيادة الدكتور تال شوارتز، رئيس مختبر أبحاث البصريات النانوية الجزيئية، والدكتور بالا موكونداكومار في قسم الكيمياء الفيزيائية. في كلية العلوم الدقيقة بقلم ريموند وبيرلي ساكلر، وتم نشره في صحيفة "Nature Materials" المرموقة. وشارك في الدراسة الطلاب أرييه سيموفيتش وجال سانديك والدكتورة أدينا جولومبيك والدكتور غي أنكونينا.
طور الباحثون نظامًا بصريًا فريدًا من أجل التحقق مما إذا كان يمكن استخدام الاختلاط مع الضوء لزيادة عمليات التوصيل الإلكتروني في المواد، واكتشفوا ميزة مثيرة للاهتمام: كلما ارتفعت نسبة الضوء في البولاريتون، زادت كفاءة وانتظام حركته في يصبح الفضاء، ولكن لأنه لا يزال لديه طابع المواد"، يمكن استخدامه للعمليات الإلكترونية في الأجهزة المختلفة.
قم بتصوير الصورة كما في الفيديو
يوضح الدكتور شوارتز: "يوجد في النظام الذي بنيناه سطح يلتقط الفوتونات وطبقة من الجزيئات عليه. عندما يتم إطلاق شعاع الليزر على سطح ما، يمكن إنشاء نفس البولاريتونات عند نقطة محددة وكذلك مراقبة حركتها على السطح. حتى الآن، قام الباحثون بتصوير ما كان يحدث بشكل ثابت، لذلك يمكنهم القول بوجود حركة على السطح ولكن ليس لديهم معلومات إضافية حول كيفية أو مدى سرعة الحركة. في بحثنا، قمنا بتطوير نظام بصري خاص يسمح لنا بمراقبة الحركة ديناميكيًا وإنشاء نوع من الفيديو بوتيرة سريعة جدًا. وعلى سبيل المقارنة فإن كاميرا الفيديو العادية ترى 30 صورة في الثانية، ولدينا أكثر من مليون صورة مربعة في الثانية. من خلال هذا، تمكنا من قياس سرعة تقدم البولاريتونات بشكل مباشر، وكذلك اكتشاف لأول مرة انتقال بين نوعين مختلفين من الحركة: عندما يحتوي البولاريتون على القليل من الضوء، فإن نطاق حركته يزداد بالفعل بمقدار عدة مراتب من حيث الحجم مقارنة بالحالة الطبيعية للمادة، ولكنها تتحرك بطريقة تعرف باسم "الحركة الانتشارية"، أي حركة مصحوبة بتشتتات عشوائية تؤدي إلى تغيرات متكررة في اتجاه التقدم، وبالتالي فعالية الحركة محدودة.
"ومن ناحية أخرى، عندما يحتوي البولاريتون على كمية عالية من الضوء، فإنه يتمكن من "التغلب" على تلك التشتتات، فتظهر حركة تعرف باسم "الحركة الباليستية" - وهي حركة منظمة بسرعة ثابتة تصل إلى 2/3 من سرعة الضوء. إن الطبيعة المجمعة للبولاريتونات تسمح من ناحية بسرعة عالية ومرور مسافات طويلة تعادل مليون مرة مقياس المسافة الجزيئية، مع فقدان طاقة أقل، ومن ناحية أخرى، تفاعلات إلكترونية تسمح بالتحكم في الضوء وتحويله إلى الطاقة المخزنة في المادة."
الاستخدام الأمثل للطاقة الشمسية
"نتوقع تأثيرا في مجالات مختلفة، على سبيل المثال في مجال الخلايا الشمسية. وهناك يتم امتصاص الطاقة الشمسية في إحدى مناطق الجهاز ومن ثم يجب أن تنتقل إلى منطقة أخرى حيث يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية. وعادة ما تكون هذه العملية بطيئة ومحدودة في النطاق الذي تحدث فيه، مما يضعف كفاءة الخلية الشمسية. وباستخدام البولاريتونات سيكون من الممكن نقل الطاقة بشكل أكثر كفاءة واستخدام الطاقة الشمسية على النحو الأمثل. مثال آخر هو الأجهزة الكهروضوئية التي تستخدم للاتصالات البصرية ومعالجة المعلومات. يمكن أن يؤدي استخدام البولاريتونات إلى تسريع معدلات العمل وتقليل مقاومة المواد المستخدمة في هذه الأجهزة بشكل كبير، لذلك سيتعين علينا استثمار طاقة أقل في تشغيلها".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
