جهاز ذكي، يعتمد على طبقة ذرية واحدة، يقوم بفرز الفوتونات والتحكم فيها، قد يؤدي إلى تطوير الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر
تتمتع الطبقات الذرية الفردية للمواد (أو المواد ثنائية الأبعاد) بخصائص بصرية وإلكترونية فريدة لا توجد في المواد ذات الحجم العادي. عندما نفكر في خصائص المادة، فإننا عادة نفترض أنها تعتمد فقط على مكونات المادة. على سبيل المثال، يوصل المعدن الكهرباء لأن ذراته مرتبطة معًا بروابط معدنية، مما يترك إلكترونات حرة يمكنها التحرك عبر المادة عند تطبيق مجال كهربائي عليها. ومع ذلك، هناك عوامل أخرى يمكن أن تؤثر على سلوك المادة: على سبيل المثال، حجمها. وينطبق هذا بشكل خاص عندما يتم تقليل أبعاد المادة إلى 100 نانومتر أو أقل (النانومتر هو جزء من مليون من المليمتر). الموصلية الكهربائية والتفاعلات الكيميائية والخواص الميكانيكية وحتى الطريقة التي تتفاعل بها المادة مع الضوء - كل هذا يمكن أن يتغير في مادة يقل حجمها إلى مستوى بضعة نانومترات. مع تقدم قدرتنا على إنشاء ودراسة المواد في نطاق النانومتر، تم الكشف عن خصائص جديدة ورائعة وغير متوقعة، مما يفتح آفاقًا جديدة تمامًا للتقنيات المستقبلية التي تعتمد على حجم المادة بالإضافة إلى خصائصها الأساسية.
ما هو السؤال كيف يمكن التحكم في خاصية الدوران لجزيئات الضوء؟
يمكن تصنيف المواد النانوية حسب العدد الإجمالي لأبعادها النانوية. على سبيل المثال، إذا كانت الأبعاد الثلاثة للمادة ذات حجم نانومتري، فإن المادة تسمى صفر الأبعاد، أو باسمها المعروف: الجسيمات النانوية. إذا كان بعدان من مادة ما بحجم نانومتر، في حين أن البعد الثالث أكبر بكثير (يشبه قطعة من الخيط تقلصت إلى حجم صغير)، فإن العلماء يقولون إنها مادة أحادية البعد ("أنبوب"، أو "أسلاك نانوية"). ). إذا كان بُعد واحد فقط بحجم نانومتر، تكون المادة ثنائية الأبعاد، تشبه ورقة كبيرة ولكنها رقيقة جدًا (مثل قطعة من الورق).
فئة أخرى من المواد هي المواد الخارقة: وهي هياكل صناعية نانوية لا وجود لها في الطبيعة. فئة فريدة من هذه المواد الهندسية هي مجموعة الأسطح الفوقية: هياكل اصطناعية رفيعة ثنائية الأبعاد تم إنتاجها بتقنيات مبتكرة تحافظ على تفاعلات فريدة مع الضوء من خلال "هوائيات" بصرية صغيرة نانومترية، والتي تمكن من تصميم مقدمات موجية. قامت مجموعة أبحاث البروفيسور حسنان، في التخنيون، بوضع الأسس لمجال السطوح الضوئية، والذي يعتبر حاليًا أحد أهم المجالات في مجال البصريات. التكنولوجيا التي طورها مختبر البروفيسور هاسمان - من بين أمور أخرى بمساعدة منحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية - تجعل من الممكن تحقيق أسطح عازلة دقيقة للغاية مصنوعة من السيليكون، بدون معادن، ولا تمتص الضوء.
بعد اكتشاف الجرافين، وهي مادة شبه موصلة ثنائية الأبعاد مصنوعة من طبقة واحدة من الكربون، ودراسة خصائصها الفريدة، تم اكتشاف وتطوير العديد من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد الأخرى. وقد يوجد في هذه المواد شرط أساسي يسمى "فجوة الطاقة المباشرة" وهو غير موجود في السيليكون. يعد عدم وجود حالة أساسية في السيليكون بمثابة قيود تكنولوجية في تكامل الإلكترونيات والضوئيات، والذي يعتبر مزيجًا قد يساعد في تطوير الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر. إن اكتشاف فجوة الطاقة المباشرة في المواد ثنائية الأبعاد يجعل من الممكن الآن الجمع بين الضوئيات النانوية والإلكترونيات لإنشاء مكونات حوسبة مستقبلية.
قام أعضاء مجموعة أبحاث البروفيسور هاسمان، بالتعاون مع مجموعة أبحاث البروفيسور إيلاد كورين، وهو أيضًا من التخنيون، بتطوير جهاز يعتمد على طبقة ذرية واحدة من سيلينيد التنغستن، قادر على معالجة الضوء (الفوتونات) لمعالجة المعلومات. يعتمد نقل ومعالجة المعلومات في شرائح إلكترونية صغيرة على عمليات الدوران الإلكتروني، وهي درجة داخلية من الحرية للجسيم الكمي، والتي تميز هجوم دوران الإلكترونات - وهو نهج يسمى الإلكترونيات السبينية (أي أداء العمليات على خاصية دوران الإلكترون، وليس على شحنته الكهربائية). ومع ذلك، ومع تطوير مجال البصريات المغزلية على يد البروفيسور هاسمان، أصبح من الممكن استخدام دوران الفوتونات (جسيمات الضوء)، وليس دوران الإلكترونات. إن التحكم في دوران الفوتونات، باستخدام الأسطح الفوقية، جعل من الممكن نقل المعلومات ومعالجتها.
تتمتع المواد شبه الموصلة ذات التماثل الانعكاسي المكسور لهياكلها بمستويات طاقة إلكترونية تعتمد على الدوران مع القدرة على التحكم في انبعاث الضوء الانتقائي. استفاد باحثو التخنيون من هذه الخاصية في طبقة ذرية واحدة، من خلال التفاعلات مع "هوائيات" نانومترية تعتمد على الاتجاه، حيث تم تجميع "أسطح الطور" الهندسية بحيث يتغير اتجاهها على طول الهيكل وكان من الممكن كسر التماثل في تدور الضوئية.
تم دمج هوائيات النانومتر، مع الطبقة الذرية الواحدة، على بلورة فوتونية ثنائية الأبعاد مصنوعة من السيليكون، لخلق عيوب ضوئية ذكية في البلورة. البلورة الضوئية عبارة عن بنية نانوية اصطناعية يتم بناؤها بشكل دوري من مواد عازلة وشفافة، ومصممة بطريقة تؤثر على مرور الفوتونات (الضوء) من خلالها، وقد ابتكر الباحثون عيوبا ذكية داخل البلورة الضوئية، ومن خلال التحكم فيها، تم إنشاء مصدر للضوء من طبقة ذرية واحدة تفصل وتفرز سبينات الفوتونات المنبعثة من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد.
ابتكر الباحثون عيوبًا ذكية داخل البلورة الضوئية، ومن خلال التحكم فيها، أنشأوا مصدرًا ضوئيًا من طبقة ذرية واحدة تفصل وتفرز دوران الفوتونات المنبعثة من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد.
قد يمهد هذا المزيج من الإلكترونيات السبينية وعلم الدوران البصري الطريق لتطوير أجهزة ضوئية جديدة مثل الرقائق ذات المقياس الذري مع القدرة على التحكم في المعلومات ومعالجتها بناءً على دوران الفوتونات المنبعثة من الهياكل ثنائية الأبعاد.
تنتمي مجموعة أبحاث البروفيسور إيريز هاسمان، ومجموعة البروفيسور إيلاد كورين، إلى مركز هيلين ديلر الكمي ومعهد راسل بيري لتقنية النانو في التخنيون. أجرى البحث وأداره الدكتور كيكسيو رونغ والدكتور بو وانغ بالتعاون مع الباحثين الدكتور الحنان ماجد، والدكتور فلاديمير كلاينر، وآفي روفين. وقد تم دعم البحث أيضًا من قبل وزارة العلوم والتكنولوجيا ومكتب أبحاث القوات الجوية الأمريكية. تم تصنيع المكونات في مركز سارة وموشيه زيسافيل للإلكترونيات النانوية في التخنيون.
الحياة نفسها:
يقول البروفيسور هاسمان: "لتقوية قدراتي الإبداعية، أستمتع في أوقات فراغي بممارسة الرياضة والسباحة والتنس وركوب الدراجات والجري وكرة السلة. لقد ألهمتني الرياضة دائمًا. القدرة على التحكم في مسار الفوتونات من خلال الدوران جاءت من التنس وكرة القدم. ضرب الكرة بالدوران وركلة "الموزة" نتيجة دوران الكرة، على غرار الهدف "الضخم" الذي سجله اللاعب البرازيلي روبرتو كارلوس في مباراة المنتخب الفرنسي في كأس القارات، والذي سجله بضربة رأسية ركلة حرة من مسافة 35 مترًا. طارت الكرة في مسار يشبه الموز ووصلت سرعتها إلى حوالي 100 كيلومتر في الساعة".
للاطلاع على المقال على موقع مؤسسة العلوم الوطنية
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
هل يمكنك أن تشرح لنا ما هو الدوران؟