نجح الباحثون في إنشاء استشعار على مقياس نانومتر باستخدام الضوء المرئي

جريدة علوم يُعلن عن إنجاز حققه الباحثون في التخنيون وشريكهم في الولايات المتحدة الأمريكية: الاستشعار على مقياس النانومتر باستخدام الضوء المرئي

هناك مبدأ في علم البصريات يقول أن الضوء ليس حساسا للأجسام التي يكون حجمها صغيرا نسبيا على طول الموجة الضوئية. ومع ذلك، في مقال نشر يوم الخميس الماضي في مجلة Science، قدم الباحثون في التخنيون وشركاؤهم في جامعة مدينة نيويورك استشعارًا بصريًا لأشياء أصغر 100 مرة من الطول الموجي.

باحثو التخنيون هم طالب الدكتوراه حنان هيرزيج شينفوكس والدكتور يعقوب لومر من مجموعة البحث البروفيسور موتي سيجيف من كلية الفيزياء في التخنيون، والدكتور غي أنكونينا من معهد راسل بيري لتكنولوجيا النانو و برنامج الطاقة الكبرى والبروفيسور غاي بارتيل من كلية الهندسة الكهربائية فيتربي في التخنيون، والباحث الأمريكي هو البروفيسور عزرئيل ز.غاناك.

يتناول البحث المقدم في المقال "برجًا" من طبقات النانومتر، كل منها أرق بحوالي 20,000 مرة من ورقة متوسطة الحجم. يكون سمك كل طبقة عشوائيًا عن عمد، وهذا عدم انتظام المقياس النانوي عادة لا يهم كثيرًا؛ لكن في التجربة الحالية، كان يكفي سماكة طبقة واحدة بمقدار 2 نانومتر فقط (سمك حوالي 6 ذرات) لتغيير كمية الضوء المنعكس من البرج بزاوية محددة. علاوة على ذلك، فإن التأثير الكلي لهذه الاختلافات العشوائية في السمك في جميع الطبقات يخلق ظاهرة فيزيائية مهمة تسمى توطين أندرسون. والاكتشاف المهم في البحث المنشور الآن هو أن هذا الموقع، خلافًا للاعتقاد السائد حتى الآن، يمكن أن يكون مهمًا ومؤثرًا حتى في مثل هذه الأبعاد الصغيرة.

تم اكتشاف توطين أندرسون في عام 1958 وحصل فيليب أندرسون على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1977. مبدأه: في ظل ظروف معينة، يؤدي الاضطراب إلى استقرار الجزيئات في الفضاء وبقائها محصورة في منطقة محدودة. تم التنبؤ بهذه الظاهرة لأول مرة في أبحاث فيزياء المواد، في سياق تحويل المواد الموصلة إلى عوازل.

من المعروف أن الإثبات التجريبي لتوطين أندرسون يمثل تحديًا صعبًا بشكل خاص، ويزداد الأمر صعوبة عندما يظهر الاضطراب فقط في مكونات أصغر بكثير من الطول الموجي. وفي الواقع، فإن الترتيب العشوائي للذرات في مواد مثل الزجاج لا يمكن ملاحظته بالضوء المرئي؛ فالزجاج، على سبيل المثال، يبدو موحدًا تمامًا حتى في أفضل المجهر الضوئي المتاح، وهذا على الرغم من عدم الانتظام الذي يتميز به، أي الترتيب العشوائي للذرات داخله.

ولهذا السبب، من المعتاد افتراض أن الاضطراب على نطاق بضعة نانومترات لن يكون له تأثير بصري كبير. وهذا هو الافتراض الذي يدحضه الآن باحثو التخنيون.

لتوضيح التجربة التي أجريت في التخنيون، دعونا نتخيل بعوضة تحاول دفع شخص ما. ومن الواضح لنا أن البعوضة ستفشل لأنها ضعيفة جداً والإنسان ثقيل جداً. أما إذا كان الشخص واقفاً على حبل رفيع وتأثر بأي قوة صغيرة تؤثر عليه، فإن تأثير دفع البعوض سيكون أكبر بكثير (حتى لو لم يكن كافياً لتحريك الشخص).

في تجربة أجريت في التخنيون، خلق الباحثون وضعا يكون فيه النظام في حالة مشابهة للتوازن وبالتالي يظهر حساسية متزايدة للتغيرات الصغيرة، مثل شخص يمشي على حبل مشدود. نفس عدم الاستقرار الفيزيائي تسبب في أن يكون تأثير اضطراب المقياس النانوي أقوى، وبالتالي تمكين الاستشعار البصري لمواقع أندرسون على الرغم من حدوثها في مثل هذه الأبعاد الضئيلة.

يقدم باحثو التخنيون النتائج كدليل على الجدوى التي قد تمهد الطريق لتطبيقات جديدة مهمة للاستشعار البصري. قد يسمح هذا النهج باستخدام الطرق البصرية لإنشاء أدوات قياس سريعة للكشف عن العيوب النانوية في رقائق الكمبيوتر والأجهزة الضوئية. وتتجلى أهميته بشكل خاص في ضوء حقيقة أن القياسات الضوئية تتميز بالسرعة العالية والتكلفة المنخفضة للغاية مقارنة بالبدائل مثل الفحص المجهري بالأشعة السينية أو المجهر الإلكتروني.

ولد البروفيسور موتي سيغيف في رومانيا عام 1958 وهاجر إلى إسرائيل في سن الثالثة. بعد تسريحه من الجيش الإسرائيلي كضابط مشاة، التحق بالتخنيون، حيث حصل على درجة البكالوريوس والدكتوراه (على المسار المباشر) وأثناء خدمته في الاحتياط كقائد سرية دورية. وفي نهاية الدكتوراه (1990) بدأ مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا للتكنولوجيا، وبعد ذلك حصل على منصب أستاذ مشارك في جامعة برينستون في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث ترقى في أقل من خمس سنوات إلى رتبة أستاذ كامل. في صيف عام 1998 عاد إلى إسرائيل وانضم إلى كلية الفيزياء في التخنيون، وفي عام 2009 تمت ترقيته إلى أعلى رتبة أكاديمية - أستاذ متميز - نظرا للتميز البحثي الاستثنائي. وقد حصل على أعلى الجوائز المهنية في مجال الليزر والبصريات من الجمعية الفيزيائية الأوروبية (2007)، وجمعية البصريين الأمريكية (2009)، والجمعية الفيزيائية الأمريكية (2013). وفي عام 2011، تم انتخابه لعضوية الأكاديمية الإسرائيلية للعلوم وفي عام 2015 للأكاديمية الأمريكية للعلوم. موتي حائز على جائزة إسرائيل في أبحاث الفيزياء لعام XNUMX.

لمقالة في مجلة العلوم