سيمكن النظام من نقل الموجات الكهرومغناطيسية في مجالات الأشعة السينية والتيراهرتز
أدى البحث الجديد الذي أجرته جامعة تل أبيب إلى تطوير دليل موجي جديد وفعال، يعتمد على المبادئ الأساسية في الفيزياء، والذي سيسمح باستخدام الأدلة الموجية التي كان من الصعب القيام بذلك حتى الآن.
تظهر الأدلة الموجية في مجموعة متنوعة من التكوينات. ومن الأمثلة المعروفة سماعة الطبيب (القناع باللغة العبرية) التي تنقل الموجات الصوتية من جسم المريض إلى أذن الطبيب. بالنسبة لموجات الراديو أو الموجات الدقيقة، فإن التكوين المألوف لدليل الموجات هو أنبوب معدني رفيع. بالنسبة للموجات الضوئية، هناك طريقة أكثر كفاءة تتمثل في استخدام الألياف الضوئية المصنوعة من الزجاج، والتي يتم اختيار معامل انكسارها بحيث تظل الموجات محاصرة بالداخل حتى تصل إلى مخرج الألياف. ومع ذلك، في بعض الحالات يكون من الصعب العثور على المواد المناسبة التي تسمح بحصر الأمواج. هناك حاجة إلى أدلة موجية لأنه بدونها سوف تتوسع الموجات ولن يكون من الممكن إجراء نقل فعال من نقطة إلى أخرى. على سبيل المثال، عادة ما تنتشر الموجات التي تمر عبر صدع عبر الفضاء.
تم إجراء البحث تحت قيادة طلاب الدكتوراه درور وايزمان من مجموعة البروفيسور عدي أرييه من كلية الهندسة الكهربائية ورئيس كرسي ماركو ولوسي شاؤول لعلم الضوئيات النانوية في جامعة تل أبيب. شارك في الدراسة طالب الدكتوراه جيري جورجي روزنمان، والبروفيسور ليف شيمر، بالإضافة إلى باحثين من جامعة أولم في ألمانيا - طالب الدكتوراه موريتز كرامسين، والدكتور مكسيم أفراموف، والبروفيسور فولفغانغ شلايش. تم نشر البحث مؤخرًا في المجلة المرموقة Physical Review Letters.
سلسلة من الشقوق
تُظهر التجارب الجديدة على الموجات البلازمونية (مزيج من التذبذبات الضوئية والإلكترونية) ومع موجات الجاذبية السطحية التي تتحرك فوق الماء، أن سلسلة من الشقوق قادرة على توصيل الموجات في مسار ضيق. تسد الشقوق الحواف الخارجية للموجات، بينما تتركز الموجات غير المحجوبة على طول محور مركزي للدليل الموجي نتيجة للتداخل. يمكن أن يكون هذا النظام البسيط، القائم على الشقوق، مفيدًا في المواقف التي يصعب فيها إنتاج أدلة موجية تقليدية، على سبيل المثال للموجات الكهرومغناطيسية في نطاق الأشعة السينية أو تيراهيرتز. نتائج
نجح وايزمان وشركاؤه في تطوير دليل موجي يعتمد على الشقوق. يقول وايزمان: "لا نحتاج إلى أي مادة خاصة ذات معامل انكسار معين". "الشيء الوحيد الذي نحتاجه هو مادة تمنع تقدم الأمواج."
وتعتمد الفكرة على ظاهرة تسمى "التركيز الحيودي"، حيث تزداد شدة الموجات التي تمر عبر الشق قبل أن يتباعد الشعاع. عادة ما يكون من الصعب ملاحظة هذا التركيز لأنه يحدث بالقرب من الشق: بالنسبة لشق يبلغ عرضه حوالي خمسة أطوال موجية، يحدث التركيز عند نقطة تقع على بعد حوالي ثمانية أطوال موجية فقط من الشق.
في دراسة سابقة تناولت التركيز غير المباشر، قام وايزمان ومعاونوه بقياس الموجات التي تتقدم عبر شقين متتاليين، مع وجود الشق الثاني بالقرب من بؤرة الشق الأول. ولاحظوا أنه عندما يمر الضوء عبر الشقين معًا، كان نمط الحيود مشابهًا لذلك الذي تم الحصول عليه من شق واحد - أي أنه من الممكن تكرار العملية مع شق ثالث ورابع وما إلى ذلك. وتوقع الفريق أن كل صدع يمكنه تركيز الإشارة قبل الوصول إلى الشق التالي، وبالتالي إنشاء دليل موجي بشكل فعال.
التحقق من صحة باستخدام تجربتين
وقد تحقق الباحثون الآن من توقعاتهم باستخدام تجربتين. الأول كان يعتمد على الموجات البلازمونية، وهي موجات كهرومغناطيسية تتحرك عبر سطح معدني وتقترن بالإلكترونات الموجودة فيه. من أجل إنشاء دليل موجي بلازموني قائم على الشقوق على طبق فضي، أنشأ الفريق أزواجًا من الجدران الفضية بسمك نانومتر والتي يمكن للموجة البلازمونية الانتقال بينها. بعد ذلك، قاموا بإثارة البنية باستخدام شعاع ليزر وقاسوا توزيع الكثافة باستخدام مجهر ضوئي يقوم بمسح شدة الموجة البلازمونية في المجال القريب. وقدّروا أن كل شرخ يسبب فقدان حوالي 10% من طاقة شعاع الليزر، وذلك بسبب اقتطاع أطراف الموجة بالجدران. يحتوي الدليل الموجي الجديد على خسائر إرسال مماثلة لتلك الموجودة في أدلة الموجات البلازمونية الموجودة.
وفي التجربة الثانية، اختبر طالب الدكتوراه جورجي جيري روزنمان الدليل الموجي الجديد باستخدام موجات الجاذبية السطحية التي تتحرك فوق الماء، في حوض أمواج فريد بطول 18 مترًا، في مختبر البروفيسور ليف شيمر من كلية الهندسة الميكانيكية في جامعة تل أبيب. في هذه التجربة، أنشأ الباحثون موجة انتشرت عبر بركة الماء وشوهتها في كل مرة في المستوى الزمني. قام الفريق بقياس شكل الموجة بالقرب من النقطة البؤرية، وقاموا بتغذية المعلومات حول قوة الموجة ومرحلتها (المثال) مرة أخرى إلى مولد الموجة لإنشاء حزمة الموجة التالية، مع قص المعلومات التي تسربت من الشق الزمني. وأظهرت هذه العملية المتكررة نمط انتشار متكرر في كل مرة، سواء من حيث الحجم أو الطور.
يقول وايزمان: "إن الدليل الموجي الجديد هو حل عام يمكن تطبيقه على نطاق واسع من الموجات". بالإضافة إلى موجات الضوء وموجات الماء، يمكن استخدام الطريقة لنقل الموجات الصوتية وموجات المواد وغيرها. ميزة أخرى هي أنه يمكن تعديل أحجام الشقوق ومواضعها. على سبيل المثال، أظهر الفريق أن تقليص عرض الشقوق سمح للدليل الموجي بتضييق الحزمة، بينما أدى تحريك مواضع الشقوق إلى تغيير اتجاه الحزمة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
