دانشمندان توانستند نور را در مقیاس نانو هدایت کنند و رکوردهای جدیدی ثبت کنند
پژوهشگران رویکرد نوآورانهای برای تحریک دو‑مرحلهای معرفی کردهاند که امکان تولید کارآمد و جداسازی واضح حالتهای مختلف پولاریتونهای هیدروپیک را میسر میسازد.
یک همکاری بینالمللی از دانشمندان رویکردی نوین برای تولید و کنترل امواج نور‑ماده بسیار محصور به نام پولاریتونهای صوتی هیدروپیک مرتبه بالاتر (HPhPs) معرفی کردهاند. با استفاده از این روش، پژوهشگران به دستاوردهای رکوردی در کیفیت امواج و مسافت انتشار آنها دست یافتند. این تکنیک همچنین با بهرهگیری از مرز بهدقت تعریفشده، اثری به نام پسیودوبیریفرنجنس ایجاد میکند که امکان جداسازی و هدایت امواج بر مبنای حالتشان را فراهم میکند.
یافتههای این تحقیق که در Nature Photonics گزارش شدهاند، امکانات جدیدی برای ساخت قطعات نوری در مقیاس نانو نشان میدهند که میتوانند پردازش سریع اطلاعات و حسگرهای شیمیایی با حساسیت بسیار بالا را پشتیبانی کنند.
بهموقعی که تقاضا برای مدارهای نور‑محور کوچکتر و کارآمدتر افزایش مییابد، پژوهشگران بهطور فزایندهای بر پولاریتونها متمرکز میشوند. این حالتهای ترکیبی زمانی شکل میگیرند که نور بهطور قوی با تکانههای ماده مانند پلاسماها یا فونونها تعامل میکند. پولاریتونها میتوانند نور را به ابعاد بسیار کوچکتر از طول موج معمولی آن فشرده کنند و مرزهای اپتیکهای دوردست سنتی را پشت سر بگذارند.
نسخههای بسیار محصور، که بهعنوان پولاریتونهای مرتبه بالاتر شناخته میشوند، همچنان دسترسیپذیر نیستند، زیرا برای برانگیختن آنها نیروی تکانهای بسیار بیشتر از آنچه تکنیکهای تک‑مرحلهای استاندارد میتوانند فراهم کنند، لازم است.
استراتژی دو‑مرحلهای برای تقویت تکانه
برای مقابله با این چالش، پژوهشگرانی از دانشگاه جیائوتونگ شانگهای و مرکز ملی علم نانو (چین)، به همراه تیمهای CIC nanoGUNE و ICFO – مؤسسه علوم فوتونیک (اسپانیا) یک روش تحریک دو مرحلهای طراحی کردند.
این فرایند با یک آنتن نانویی طلا که توسط نور روشن میشود، آغاز میشود و یک پاشش اولیه تکانه فراهم میکند. این امر باعث ایجاد یک پولاریتون صوتی هیدروپیک بنیادی، یا صفر‑مرتبه، بر روی یک لایه بلوری دو‑محور MoO3 صاف میشود که بر روی یک زیرلایه طلا تککریستالی قرار دارد. سپس پولاریتون به سمت لبه لایه طلا حرکت میکند؛ جایی که زیرلایه ناگهان به پایان میرسد و بلور به هوا ادامه مییابد. هنگامی که موج به این مرز تیز برخورد میکند، پخش میشود و به پولاریتونهای صوتی مرتبه بالاتر تبدیل میگردد.
«پخش شدن پولاریتون صفر‑مرتبه در مرز، افزایش بزرگ تکانهای مورد نیاز برای برانگیختن حالتهای مرتبه بالاتر را فراهم میکند»، در گفتار پروفسور رینر هیلنبراند، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، توضیح میدهد. «ما دریافتیم که این روش دو‑مرحلهای کارایی تحریک را بهطور چشمگیری نسبت به تکنیکهای تک‑مرحلهای سنتی افزایش میدهد.»
این کارآمدی ارتقایافته در تحریک، بههمراه لایه MoO3 فوقالعاده صاف و کم‑از دست‑رفت که در هوا معلق است، به تیم امکان مشاهده پولاریتونهای مرتبه بالاتر با کیفیت بیسابقه را داد. این امواج به ضریب کیفی رکوردی حدود ۴۵ و مسافت انتشار طولانی دست یافتند که پتانسیل فناوریهای فوتونی نسل آینده را نشان میدهد.
راهی نو برای هدایت نانو نور
بارزترین نتیجهٔ این تکنیک جدید تحریک پولاریتون، پدیدهای است که تیم آن را «پسیودوبیریفرنجنس» مینامند. در مرز تیز طلا‑هوای، حالتهای مختلف پولاریتون بهصورت فضایی جدا میشوند در حالی که حالتقطبی خود را حفظ میکنند. حالت بنیادی و حالتهای مرتبه بالاتر در زوایای متفاوتی خم میشوند و منجر به گسترش در جهتهای کاملاً متفاوت میگردند.
«ما بهطور مؤثری یک کنترلکنندهٔ ترافیک برای نور در مقیاس نانو ایجاد کردهایم»، میگوید پروفسور چینگ دای، یکی دیگر از نویسندگان اصلی. «این توانایی برای طبقهبندی ترتیبهای مختلف پولاریتونهای هیدروپیک، ابزار جدیدی برای طراحی مدارهای فوتونی فوقالعاده فشرده است. این پدیده شبیه اثر دوپشینگی در برخی کریستالها است، اما در اینجا بدون هیچ تغییر در قطبیّت نور رخ میدهد و بیش از ده‑بار قویتر است.»
این اثر قدرتمند تفکیک حالت میتواند برای تقسیمچندحالت (mode‑division multiplexing) به کار گرفته شود؛ تکنیکی که از شکلهای موجی متفاوت برای انتقال چندین جریان دادهٔ مستقل در یک نانو مسیرپیمایی استفاده میکند و بهطور چشمگیری ظرفیت پردازش اطلاعات را افزایش میدهد. کاربردهای دیگر ممکن شامل فیلترهای نوری نوین، صفحههایموجی، و حسگرهای زیستی بر روی تراشه با حساسیت بسیار بالا میشود.
بهطور کلی، این تحقیق پایهای اساسی برای کنترل نور در مقیاس نانو فراهم میکند و پیامدهای گستردهای برای نانوفوتونیک آینده، ارتباطات بر روی تراشه و فناوریهای پردازش اطلاعات دارد.
منبع: «تحریک ناشی از مرز برای پولاریتونهای صوتی هیدروپیک مرتبه بالاتر» توسط نا چن، هانچائو تنگ، هائی هو، اف. خاویر گارسیا دیآباجو، رینر هیلنبراند و چینگ دای، ۳ اکتبر ۲۰۲۵، Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-025-01755-5
هرگز یک پیشرفت را از دست ندهید: در خبرنامه SciTechDaily عضو شوید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.