يلتقي الفوتون والإلكترون داخل البلورة الضوئية

إنجاز علمي مثير نُشر في مجلة Nature: قام الباحثون في التخنيون بتجميع مجهر كمي يصور تدفق الضوء لأول مرة في العالم، واستخدموه لإجراء مراقبة تجريبية مباشرة للضوء المحبوس في بلورة فوتونية

يعرض مقال منشور في مجلة Nature نظامًا مجهريًا مبتكرًا يولد تفاعلًا قويًا غير مسبوق بين الضوء والمادة. النظام، الذي تم بناؤه في التخنيون من خلال دمج وتحسين المنتجات من عالم الفحص المجهري والليزر، هو الأفضل في العالم في الجمع بين الدقة في الزمان والمكان والتردد.

قاد البحث الدكتور أدو كامينر، رئيس مختبر روبرت وروث ماجد للديناميكيات الكمومية لحزم الإلكترون وعضو هيئة التدريس في كلية فيتربي للهندسة الكهربائية ومعهد الحالة الصلبة. الدكتور كامينر هو أيضًا عضو في معهد راسل بيري لتقنية النانو (RBNI) ومركز هيلين ديلر الكمي.

المؤلفون المشاركون في المقال هم الدكتور كنافغانغ وانغ، رافائيل دهان، مايكل شنتزيس، الدكتور يارون كوفمان، أوري رينهارت، آدي بن هايون، وشاي تساس.

النظام المذكور أعلاه، والذي تم بناؤه بدعم كبير من التخنيون وبعض الباحثين البارزين فيه، يتيح رسم خرائط غير مسبوقة لسلوك الضوء المحتجز في الهياكل النانومترية مثل البلورة الضوئية - وهي بنية نانومترية تحدد خصائصها سلوك الضوء داخلها هو - هي.

لقد أدت التطورات العلمية والتكنولوجية إلى تحسن كبير في جودة وخصائص البلورات الضوئية، حتى أنها تسمح للضوء بالاحتجاز داخلها لفترة من الوقت. ووفقا للدكتور كامينر، "هذه ليست المرة الأولى التي تلتقط فيها البلورات الضوئية أو غيرها من الهياكل الضوئية النانوية الضوء، ولكن هذه هي أول ملاحظة تجريبية مباشرة للضوء الملتقط فيها. وفي النظام الجديد، تمكنا من إظهار مثل هذه الملاحظة لأول مرة بوسائل كمومية جديدة. وهذا هو الإنجاز الرئيسي في البحث الحالي، وسبب نشره في مجلة Nature."

يعد التفاعل بين المادة والضوء، وخاصة بين الإلكترون والفوتون، ظاهرة رائعة تشغل العديد من المجموعات البحثية في العالم، خاصة عندما يكون الضوء محصورا في هياكل رنانة. هذه هي الهياكل القادرة على التقاط الضوء لفترة طويلة من الزمن. يمكن تشبيه ذلك بمرآتين موضوعتين مقابل بعضهما البعض وينعكس الضوء بينهما مرارًا وتكرارًا، ولكن في الهياكل الرنانة النانومترية، يختلف سلوك الضوء تمامًا، والتفاعلات في هذه الهياكل ضرورية في تطوير التطبيقات المبتكرة بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

الإلكترونات، في حالتها المشتركة، ليست حرة. وهي متصلة بذرات وجزيئات وكيانات تسمى "النقاط الكمومية"، وهذا الاتصال يحدها في جوانب عديدة. وفي السنوات الأخيرة، تم تقديم العديد من عمليات المحاكاة التي تظهر لقاءات بين الضوء والإلكترونات الحرة التي لا تواجه نفس القيود، لكنها لم تتحقق على المستوى التجريبي بسبب الصعوبات التكنولوجية المعقدة. الآن، باستخدام النظام المبني في التخنيون، تم إجراء مراقبة تجريبية مباشرة للتفاعل بين الإلكترون الحر والفوتون المحصور لأول مرة. وبهذه الطريقة، أصبح من الممكن أيضًا إجراء قياس مباشر لعمر الفوتونات المحاصرة.

وتمكن الباحثون من مراقبة الضوء أثناء احتجازه في البلورة ورسم خريطة للتفاعل بينه وبين الإلكترون المنطلق نحوه. ويستخدم الإلكترون المذكور كأداة لتصوير ورسم خرائط الضوء بدقة ممتازة، وذلك بفضل تفاعله الكمي على مستوى الفوتون الواحد.

النظام الذي بناه الدكتور كامينر في التخنيون يعتمد على مجهر إلكتروني - جهاز يطلق شعاع إلكتروني مركّز على النموذج الذي يتم اختباره ويفحص تشتت الإلكترونات. إلى حد ما، يشبه المجهر الإلكتروني المجهر الضوئي، إلا أنه هنا لا يتم إرسال شعاع من الإلكترونات إلى النموذج، ولا يعتمد تركيز الشعاع على العدسات البصرية بل على العدسات الكهرومغناطيسية (الملفات). الميزة الرئيسية للمجهر الإلكتروني على المجاهر الضوئية هي دقته العالية. بالمقارنة مع المجهر الضوئي، الذي يقتصر على فصل حوالي 200 نانومتر، فإن المجهر الإلكتروني قادر على تحقيق فصل أقل من أنجستروم (عُشر نانومتر). سبب الاختلاف هو أن الطول الموجي للإلكترون أقصر بكثير من الطول الموجي للضوء.

يوضح الدكتور كامينر: "يزودنا المجهر الإلكتروني القياسي بالفعل بدقة غير مسبوقة، ولكن لديه أيضًا بعض القيود المهمة: فهو ينتج فقط صورًا ثابتة، بدون تسلسل زمني مستمر وبدون ألوان". يجمع النظام الجديد الذي تم بناؤه في التخنيون في المجهر الإلكتروني ومضات ليزر سريعة وقوية توفر العنصرين المفقودين - الديناميكية واللون. كما ذكرنا سابقًا، يسمح هذا النظام أيضًا بالقياس المباشر لعمر الفوتونات المحاصرة.

بدأ الدكتور كامينر بتصميم النظام المبتكر حتى قبل عودته إلى التخنيون، مستوحى إلى حد كبير من اثنين من الباحثين المهمين الذين تعاملوا مع التفاعلات بين الضوء والمادة: البروفيسور فابريزيو كاربوني من EPFL (معهد لوزان للتكنولوجيا)، الذي كان الدكتور كامينر في مختبره بقي في نهاية فترة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. في EPFL، أجرى البروفيسور كاربوني العديد من العروض التوضيحية الرائدة للجمع بين المجهر الإلكتروني وومضات الليزر، وبالتعاون مع الدكتور كامينر أظهر هناك لأول مرة تلوين الصور المجهرية باستخدام اقتران مصدر ليزر خارجي.

أما الباحث الثاني فهو الراحل البروفيسور أحمد زويل - أول عالم مصري يفوز بجائزة نوبل في العلوم (الكيمياء 1999). وفي السنوات الأخيرة من حياته، طور زفيل طريقة مبتكرة تجمع بين المجهر الإلكتروني وإشعاع الليزر؛ وأوضح أنه من خلال ومضات الليزر القصيرة والسريعة يمكن توصيف تركيبة المادة والتغيرات التي تحدث فيها أثناء التفاعل الكيميائي أو البصري، وذلك بدقة غير مسبوقة.

الآن، في مختبره الجديد في التخنيون، أخذ الدكتور كامينر هذا النظام التجريبي المبتكر إلى عالم فيزياء الكم. ويؤكد على المساهمة الهائلة لمهندس المختبر رافائيل دهان، الذي قاد إنشاء نظام المجهر المبتكر في مركز المجهر الإلكتروني في كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون.

وبعيدًا عن الإنجاز العلمي الهائل، وهو أمر مهم في حد ذاته، فإن المقال يمهد الطريق لتطبيقات جديدة في أجهزة الاستشعار الكمومية، ومعالجة المعلومات الكمومية، والاقتران القوي بين الضوء والمادة، والإجراءات الميكانيكية الكهروضوئية في الضوء المحصور. وفي تقييم طالب الدكتوراه شاي تساس، وهو مؤلف مشارك للمقال، "هناك إمكانية هنا لإنشاء مجموعات جديدة من الخصائص الإلكترونية والبصرية والميكانيكية، ولهذا السبب نتحدث عن" كهربائي "جديد - الميكانيكا الضوئية."

وفقا للدكتور كامينر، "هناك إمكانية هنا لتحقيق قفزة إلى الأمام في قدرتنا على تطبيق المجهر الإلكتروني على المواد الناعمة وغيرها من المواد الحساسة. التحدي التالي هو زيادة كفاءة التفاعل إلى المستويات التي تسمح بإنشاء حالات كمومية جديدة وفريدة من نوعها.

حصل الدكتور أدو كامينر على درجة البكالوريوس في الهندسة الكهربائية والفيزياء في التخنيون كجزء من برنامج احتياطي بساجوت وبرنامج روتشيلد التخنيون للطلاب المتفوقين. ثم حصل على درجة الماجستير والدكتوراه تحت إشراف البروفيسور موتي سيجيف من كلية الفيزياء. عند إطلاق سراحه، بدأ دراسة ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تحت إشراف البروفيسور مارين سوليتشيك والبروفيسور جون جوانوبولوس، بدعم من منحة ماري كوري ومنحة روتشيلد ومنحة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا- التخنيون. وفي عام 2018، انضم إلى كلية الهندسة الكهربائية في فيتربي.

على مر السنين، فاز الدكتور كامينر بالعديد من الجوائز والمنح، بما في ذلك جائزة جمعية الفيزياء الإسرائيلية لطلاب الدراسات العليا، وجائزة أطروحة الدكتوراه المتميزة من الجمعية الفيزيائية الأمريكية، وزميل أزريلي ومنحة ERC من مجلس البحوث الأوروبي.

الدكتور كانغفنغ وانغ، الذي قاد البحث كطالب ما بعد الدكتوراه في التخنيون، هو المستفيد من منحة مؤسسة ليدي ديفيس. تم دعم البحث أيضًا من قبل الأكاديمية الوطنية الإسرائيلية للعلوم، التي منحت أيضًا منحة آدامز لشاي تساس، ومنحة دراسية من مؤسسة أزريلي لأعضاء هيئة التدريس للدكتور أدو كامينر. أتاحت المساهمة السخية لبوب وروث ماجد إنشاء المختبر وإجراء جميع التجارب كجزء من البحث الذي تمت مناقشته هنا.

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• هل من الممكن خلق ظاهرة الصدى الكمي داخل جزيء واحد؟
• تقدم النتائج الجديدة صورة أكثر دقة لتدفق الإلكترون في الحالات الكمومية
• ما هي التفاعلات بين الضوء والمادة في هوائي نانومتري يهدف إلى استقبال الضوء المرئي؟