جريدة علوم يُعلن عن اختراق علمي وهندسي في مجال الليزر: إنشاء ليزر معزول طوبولوجيًا. البحث الذي أجري في التخنيون وفي الولايات المتحدة الأمريكية، لديه القدرة على إحداث ثورة في مجال ليزر أشباه الموصلات وأجهزة الاستشعار الدقيقة
قام باحثون من كلية الفيزياء في التخنيون مع زملائهم من الولايات المتحدة الأمريكية بتطوير نظام ليزر مبتكر: ليزر عازل طوبولوجي. ويتميز الليزر الجديد بكفاءة واستقرار أعلى بكثير من أنظمة الليزر المماثلة ويمهد الطريق لتكامل متماسك قوي لعدد كبير من الوحدات في الساحة - وهو التحدي الذي يشغل العديد من المجموعات البحثية في مجال ليزر أشباه الموصلات.
ونشرت النتائج في مجلة ساينس في مقالتين، إحداهما تعرض النظرية والأخرى النظام التجريبي الأول. وهذا اكتشاف علمي أساسي له آثار بعيدة المدى على تطبيقات مثل الأجهزة الضوئية (الثنائيات للاتصالات، والدوائر الإلكترونية المدمجة مع الليزر، وما إلى ذلك)، وقد أبدت الشركات الرائدة في عالم الضوئيات اهتمامًا بها بالفعل.
أجرى البحث الرائد البروفيسور موتي سيغيف الحائز على جائزة إسرائيل من كلية الفيزياء في التخنيون مع باحثين في مختبره - الدكتور ميغيل بانديراس وطالب الدكتوراه غال هراري - ومع شركائهم من CREOL (جامعة وسط فلوريدا)، البروفيسور ديمتري خريستودوليدس وميركادا هاجافيكان وطلابهم ستيفان ويتيك وميديا بيرتو وجينهان رين وعلماء آخرون من الولايات المتحدة الأمريكية وسنغافورة.
يقدم البحث المنشور الآن أول مزيج ناجح من نوعه بين مجالين مختلفين في الفيزياء: الليزر والعوازل الطوبولوجية. تشكل العوازل الطوبولوجية، التي كانت في قلب أبحاث الحائزين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016، حالة جديدة من المادة. تم اكتشافها لأول مرة بالنسبة للإلكترونات الموجودة في المواد الصلبة وتتميز بأن داخلها يعمل كعازل (لا يوصل تيارا كهربائيا) ولكن سطحها يوصل تيارا أحادي الاتجاه محصن ضد العيوب والتشتت (مثل الزوايا) والاضطراب في المادة. في البداية، تم اكتشاف العوازل الطوبولوجية في سياق التوصيل في المواد الصلبة، ولكن منذ حوالي عقد من الزمن تم الافتراض بأن الأفكار الأساسية في هذا المجال من البحث قد تكون، في ظل تغييرات جوهرية، ذات صلة بأنظمة فيزيائية أخرى أيضًا. أولها كان النظام البصري. في عام 2013، قام فريق البحث التابع للبروفيسور سيغيف بعرض أول عازل ضوئي طوبولوجي. في هذا النظام، ينتقل الضوء في اتجاه واحد حول حواف مجموعة ثنائية الأبعاد من أدلة الموجات دون أن يزعجه أي عيوب أو اضطراب. والآن يقوم الباحثون بعرض نوع جديد من أجهزة الليزر، والذي يسمح بتوصيل عدد كبير من الوحدات بالحلقة لإنشاء شعاع ليزر واحد قوي وموحد، بتردد واحد، وهو أيضًا محصن ضد العيوب والحواف الحادة والاضطراب . كما ذكرنا سابقًا، يكمن الاختراق في الجمع التآزري بين السمات الطوبولوجية في نظام الليزر.
ويقول البروفيسور سيغيف الباحث الذي قاد البحث: "هذا هو أهم بحث قمت به حتى الآن، كما أن نشر المقالتين في مجلة Science جنباً إلى جنب يعد خطوة غير مسبوقة". ووفقا له، فإن "نظام الليزر الجديد يدحض كل ما نعرفه عن العوازل الطوبولوجية. حتى الآن، كان من المعتاد افتراض أن الخصائص الفريدة للعازل الطوبولوجي ستختفي في سياقات مثل أنظمة الليزر، التي يجب أن تحتوي على مكاسب، لكننا دحضنا هذا الافتراض نظريًا وتجربة. يقدم المعزل الطوبولوجي الضوئي تحسينًا كبيرًا لليزر من حيث الكفاءة والاستقرار والقوة. النظام الذي قمنا بتطويره محصن ضد الاضطراب في المادة ولا يسمح بتشتت الشعاع أو عكس اتجاهه. إن معنى هذا العمل هو أولاً وقبل كل شيء طفرة فكرية في العلوم الأساسية، وأنا سعيد لأنه يحمل أيضًا العديد من المعاني العملية."
المقال الحالي، والذي كما ذكرنا يربط بين فيزياء الليزر وفيزياء العوازل الطوبولوجية، يمهد الطريق لعائلة جديدة من الأجهزة الضوئية الطوبولوجية التي يمكن دمجها في أجهزة الاستشعار والهوائيات وغيرها من الأجهزة الضوئية. ووفقا للبروفيسور كريستودوليدس، "من المثير للغاية أن نرى الأبحاث الأساسية التي ستظهر منها تطبيقات مهمة وملموسة."
يعتمد الليزر المعزول الطوبولوجي على مواد عادية في عالم أشباه الموصلات، دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية أو مواد مغناطيسية بصرية فريدة، لذلك يمكن دمجه بسهولة نسبية في العديد من الأجهزة الضوئية والإلكترونية المتنوعة. وقال البروفيسور هاجافيكان إنه "في السنوات الأخيرة وجدنا طرقًا جديدة للتحكم في الضوء بطريقة غير مسبوقة. وهنا تمكنا، من خلال التخطيط الذكي، من خداع الفوتونات بحيث تشعر وكأنها خاضعة لمجال مغناطيسي، كما لو أنها ذات دوران مغزلي".
حصل البروفيسور الباحث موتي سيغيف على العديد من الجوائز العالمية المرموقة في مجالات الفيزياء، بما في ذلك أعلى الجوائز في مجال البصريات والليزر من الجمعية الفيزيائية الأمريكية (2014) والجمعية الفيزيائية الأوروبية (جائزة إلكترونيات الكم 2007). وهو عضو في الأكاديمية الوطنية الإسرائيلية للعلوم، وعضو في الأكاديمية الأمريكية للعلوم وعريس بيريز إسرائيل من أجل "استكشافكيمياء وأبحاث الفيزياء " لعام 2014 .
للمقالات في العلوم:
תגובה אחת
كما أن لديها تطبيقًا أمنيًا وأنا أقدر أن أولئك الذين يحتاجون إلى المعرفة وفشلوا حتى الآن في المهمة سيتصلون بالبروفيسور سيجيف ويتواصلون معه.