يقوم عازل بصري جديد بنقل الضوء الداخل إليه من اتجاه واحد ويحجب الضوء الداخل من الاتجاه المعاكس

تم تطوير أول عازل بصري من نوعه على يد البروفيسور طال كرمون من كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون. تم نشر هذا التطور في مجلة الطبيعة

قام الباحثون في التخنيون ببناء عازل بصري هو الأول من نوعه، يعتمد على انعكاس موجات الضوء في كرة زجاجية سريعة الدوران. هذا هو أول جهاز ضوئي يتحرك فيه الضوء المتحرك في اتجاهين متعاكسين بسرعات مختلفة. تم نشر هذا التطور في مجلة Nature المرموقة. أدار البحث البروفيسور تال كارمون من كلية الهندسة الميكانيكية ومعهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو في التخنيون. ووفقا له "لقد طورنا هنا عازلًا ضوئيًا فعالاً للغاية يمكنه عزل 99.6٪ من الضوء. وهذا يعني أننا إذا أرسلنا 1,000 جسيم ضوئي، فسيقوم الجهاز بعزل 996 فوتونًا بشكل صحيح وسيفوت 4 فوتونات فقط. إن كفاءة العزل هذه مطلوبة في أجهزة الاتصال البصري الكمي. ويلبي العازل الذي طورناه هنا العديد من المتطلبات الأساسية الأخرى: فهو يعمل بشكل جيد حتى عندما يصل الضوء من كلا الاتجاهين في وقت واحد، وهو متوافق مع الألياف الضوئية القياسية، ويمكن تصغيره ولا يغير لون الضوء.

السباحة في النهر أسرع من السباحة في النهر. إن ركوب الدراجة والرياح خلفنا أسرع من الركوب ضد الريح. وتبين أن الضوء يتغير سرعته أيضًا نتيجة "الريح الخلفية" أو "السباحة ضد التيار"، أي نتيجة حركة الوسط الذي يتحرك فيه. سرعة الضوء تتأثر بسرعة الوسط . لقد تعلمنا في المدرسة الثانوية أن سرعة الضوء تتأثر بنوع الوسط - المادة التي يتحرك فيها الضوء. فسرعة الضوء في الزجاج، على سبيل المثال، أبطأ من سرعته في الهواء. تتعلم أيضًا في المدرسة الثانوية أن شعاعين ضوئيين يتقدمان في اتجاهين متعاكسين عبر الزجاج، أو أي مادة أخرى، سيتقدمان بنفس السرعة. يقول البروفيسور كارمون: "خلال دراستي في التخنيون تعلمت أيضًا أن سرعة الضوء تعتمد على سرعة الوسط الذي يتحرك فيه". "تمامًا مثل السباح في النهر، فإن سرعة الضوء مقابل حركة الوسط أبطأ من سرعته مع حركة الوسط."

وقد سبق أن أشار إلى هذه الظاهرة عام 1849 العالم الفرنسي أرماند فيزو. وأظهر أنه، على غرار سرعة السباح في النهر، فإن سرعة الضوء في اتجاه مجرى النهر أسرع من سرعة الضوء في اتجاه مجرى النهر. أثر اكتشاف بيزو بشكل كبير على تطور النسبية الخاصة على يد ألبرت أينشتاين. إن السحب الذي تمارسه المادة المتحركة على الضوء، والذي يسمى أيضًا السحب الانضغاطي، قد يؤدي إلى تطبيقات مهمة في مجال البصريات والحوسبة. وذلك لأن إبطاء وتسريع الضوء من خلال حركة الوسط يمكن أن ينتج عازلًا بصريًا - جهاز يتم فيه امتصاص الضوء الوارد من جانب واحد ويمر عبره الضوء الوارد من الجانب الآخر. على الرغم من أن سرعة الضوء في الوسط هي الخاصية الأساسية الناتجة عن التفاعل بين الضوء والمادة، إلا أنه لم يتم حتى الآن بناء أي جهاز ضوئي تتقدم فيه حزم الضوء المتضادة بسرعات مختلفة.

والآن، ولأول مرة، نجح باحثو التخنيون في بناء عازل يعتمد على سرعات الضوء المختلفة للأشعة التي تتقدم في اتجاهين متعاكسين. وهو جهاز بصري كروي يدور بسرعة عالية. يتم إطلاق أشعة الضوء على الجهاز من اتجاهين متعاكسين. الضوء القادم من اليمين يدور حول محيط الكرة مع اتجاه دوران الكرة؛ الضوء القادم من اليسار يدور عكس اتجاه الدوران وبالتالي يتحرك بسرعة أقل. يمكن القول أنه يتم سحب الضوء مع الجهاز.

الجهاز المبتكر عبارة عن عازل بصري، فهو ينقل الضوء القادم من اليسار ويطفئ الضوء القادم من اليمين. ووفقا للبروفيسور كارمون، فإن "الأساس المادي للجهاز، بالإضافة إلى السحب المطبق على الضوء، هو مرنان - وهو المكان الذي يتردد فيه صدى موجات الضوء. ويدور الضوء الرنان داخل الكرة آلاف المرات حتى يتم امتصاصه. وفي المقابل، يمر الضوء غير الرنان عبر الجهاز دون عوائق تقريبًا. بمعنى آخر، الضوء المتحرك مع الجهاز يرن وينطفئ، والضوء المتحرك ضد الجهاز يستمر في العمل دون انقطاع."

تم تصنيع الجهاز في ورشة نفخ الزجاج في التخنيون من قضيب زجاجي تم صهر نهايته على شكل كرة نصف قطرها ملليمتر واحد. مصدر الضوء عبارة عن ألياف ضوئية رفيعة يبلغ قطرها جزءًا من مائة من سمك الشعرة، وهي تبعد بضعة نانومترات عن الكرة. تدور الكرة، وهي الرنان، بسرعة هائلة - يتحرك إطار الكرة بسرعة حوالي 300 كم/ساعة - ويدور الضوء القادم من الألياف داخلها آلاف المرات. كان أحد التحديات الهندسية التي واجهتها مجموعة البحث هو الحفاظ على مسافة دنيا ثابتة بين الألياف (مصدر الضوء) والمرنان الكروي. "يعد الحفاظ على مسافة دقيقة تحديًا معقدًا حتى لو كان الجهاز لا يتحرك، ويكون تحديًا أكثر تعقيدًا عندما يتعلق الأمر بكرة تدور بسرعة هائلة. ولذلك بحثنا عن طريقة لإجبار الألياف على التحرك مع الكرة على الرغم من عدم اتصال الألياف والكرة. وفي النهاية وجدنا طريقة للقيام بذلك: تطفو الألياف على الريح مما يؤدي إلى دوران الكرة. وهكذا، إذا اهتز الجهاز - وبسبب الدوران السريع فإنه يهتز حتما - فإن الألياف سوف تهتز مع الكرة الدوارة وسيتم الحفاظ على المسافة بينهما.

ووفقا للبروفيسور كارمون، "نأمل أن نكون قد مهدنا الطريق لنوع جديد من الأجهزة الميكانيكية البصرية تعتمد على القوى المميزة للمسافات النانومترية. القوى العاملة على هذه المسافات هي قوى كازيمير وقوى فان دير فالس - وهي قوى قوية جدًا، تنشأ من التأثيرات الكمومية، والتي نادرًا ما تُستخدم حتى الآن في الأجهزة الميكانيكية بشكل عام وفي الرنانات بشكل خاص. لقد أظهرنا مؤخرًا ولأول مرة نوعًا جديدًا من الليزر حيث تتسبب موجات الماء في انبعاث الضوء؛ لقد أظهرنا أيضًا، لأول مرة، ليزرًا صغيرًا تتسبب فيه موجة صوتية في انبعاث الضوء. ومن الممكن أن نتمكن في المستقبل من إنشاء أشعة ليزر تعتمد على قوى كازيمير وقوى فان دير فالس في الرنانات الجديدة."

قاد البحث البروفيسور كارمون مع مجموعته البحثية وشركائهم في كلية البصريات والضوئيات (CREOL). أجرى التجربة رافي دهان، الذي كان حينها طالباً للماجستير، وطالب الدكتوراه شاي معيني. الدكتور معيني حاليا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث يقوم بتطوير ألياف بصرية مبتكرة تحت إشراف خريج التخنيون البروفيسور يوئيل فينك. اختار الدكتور معيني هذا المجال البحثي الذي تم تعريفه على أنه حاجة استراتيجية لإسرائيل، انطلاقا من رغبته في العودة إلى إسرائيل كعضو هيئة تدريس في نهاية مرحلة ما بعد الدكتوراه. ويؤكد البروفيسور كارمون أن المؤلفين الخمسة الأوائل للمقال هم أعضاء في كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون، ومن بينهم يوري كاليجرمان وإدوارد موزس، اللذين قاما بالحسابات.

وقد تم دعم الدراسة من قبل مركز التميز I-CORE، و"دائرة الضوء" ووزارة العلوم والتكنولوجيا.

للحصول على المقال كاملا في الطبيعة