RSS
وبینارهای شاخه فیزیک آماری انجمن فیزیک ایران چهارمین گردهمایی یک‌روزه بانوان در فیزیک ایران همایش مجازی آشنایی با گرایش علوم و اطلاعات کوانتومی هشتمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۳
ماریو مولینا (Mario Molina) [1] از دانشگاه شیلی در سانتیاگو و رابرت تامسون (Robert Thomson) [2] از دانشگاه هریوت‌وات در انگلستان به همراه هم‌کارانشان گزارشی داده‌اند که بر مبنای آن از به دام انداختن نور در یک ساختار بلورین که شبکه‌ی فوتونی لیب [3] نامیده می‌شود سخن گفته‌اند. آنها نشان داده‌اند که نور با یک فرکانس معین می‌تواند در یک جایگاه شبکه‌ای وارد شود و همان جا بماند؛ بدون آن‌که به جایگاه‌های مجاور نفوذ کند. نتایج این پژوهش راه‌های جایگزینی برای به دام انداختن امواج را پیشنهاد می‌دهد.
تصور کنید در یک ساختمان غول‌پیکر قرار گرفته و در پیچ‌وخم دالان‌های آن گم شده‌اید. تلاش می‌کنید راه خروجی را بیابید. این را هم فرض کنید که هر مسیری را که انتخاب می‌کنید همیشه به نقطه‌ی آغازینِ حرکت خود می‌رسید. اگرچه می‌توانید حول و حوش محلی که قرار گرفته‌اید حرکت کنید٬ اما عملاً به دام افتاده و در یک منطقه‌ی محدود از فضا جایگزیده شده‌اید. هرچند این تصویر سناریویِ فراواقعی از حرکت را به نمایش می‌گذارد اما تناظر خوبی است تا با بهره‌گیری از آن پژوهش‌گران سعی در به دام انداختن نور و دیگر انواع موج داشته باشند.
امواج تمایل دارند در سرعت‌های بالا حرکت کنند بنابراین به دام انداختن آنها کار آسانی نیست. اما همین امواج یک ویژگی از خود نشان می‌دهند که می‌توان از آن برای محدود ساختن خودِ آنها استفاده کرد: امواج با هم تداخل می‌کنند. اگر ساختاری که امواج در آن منتشر می‌شوند به گونه‌ای متناسب ساخته شود٬ اثرات تداخلی می‌تواند یک تله‌ی موجی کامل ایجاد کند. کنترل نور در مواد فوتونیِ ساختارمند با بهره‌گیری از تداخل (با کنترل جهت امواج٬ کاهش سرعت و به دام انداختن آنها) موضوعی از پژوهش‌های جاری است [4]. کاربردهای ممکن از تله‌های نوری در این مواد فراوانند. این کاربردها شامل حس‌گرهای فوتونی٬ پردازش سیگنال‌های اپتیکی٬ عناصر اپتیکی غیرخطی و میکرولیزرها هستند. بعلاوه تله‌های اپتیکیِ خوب٬ مطالعه‌ی اثرات اساسی همچون جفت‌شدگی مابین نور و ذرات در رژیم کوانتومی [5] را ممکن می‌سازد.
مواد فوتونیِ ساختارمند ویژگی‌هایی دارند که با بهره‌گیری از آنها می‌توان جریان نوری را دست‌کاری کرد. این ویژگی‌ها از کِدربودن فوق‌العاده زیاد در مقابل نور گرفته تا نیم‌شفافیت اپتیکی را در برمی‌گیرد. یک ویژگی دیگر این مواد حساسیت اپتیکی است٬ که در طول‌موج‌های بخصوصی گستره می‌شود یا اوج گیرند. برای دست‌یابی به این ویژگی‌ها٬ ماده‌ی موردنظر بایستی خواص ساختاری داشته باشد تا مقیاس‌های طولی مختلفی را دربر بگیرد. این ساختارها از ساختارهای کاملاً منظم تا کاملاً اتفاقی متغیرند اما پژوهش‌های اخیر به سمت ساختارهایی رفته که حتی از نظم جزئی نیز برخوردارند[6]. یک مورد بخصوص ماده‌ی جدید بی‌نظمی‌است که شیشه‌ی لوی (Lévy glass) نامیده می‌شود. در این ماده امواج یک پیمایش اتفاقی از بُعد فراکتال (غیرصحیح) را انجام می‌دهند [7]. این ویژگی‌های ابعادی ساختارها خصوصیات اپتیکی آنها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. موادی که بتوانند نور را در یک صفحه به دام بیاندازند و راه نفوذ نور را به بُعد سوم بگیرند٬ کاربردهایی همچون سلول‌های خورشیدی خواهند داشت[8].
گروه‌هایی به رهبری مولینا و تامسون مواد فوتونی سه بُعدی را توسعه داده‌اند که منجر به تشکیل شبکه‌های لیب دوبعدی شده است. این شبکه‌ها از سه مولفه‌ی اپتیکی (A, B و C) تشکیل شده که در یک الگوی مربعی گنجانده شده‌اند اما یک جای خالی در هر طرف هر خط دیگر ایجاد شده است (شکل ۱ را ببینید). این آرایش موجب می‌شود نور در بُعد سوم منتشر شود که تحت انتقال خطی ناورداست اما در صفحه‌ی شبکه به دام افتد. با استفاده از تناظری که از به دام افتادن در یک ساختمان غول‌پیکر بدست آمد٬ این ساختار از مجموعه‌ای از دالان‌های موازی (بی‌نهایت) تشکیل شده است. با آن فرض می‌توانید در هر یک از این دالان‌ها بدوید و هرزمان که خواستید «تغییر مسیر» دهید اما در لحظه‌ی تغییر مسیر به عقب انداخته خواهید شد. با ارسال نور از یکی از انتهاهای این ساختار و نظارت بر این‌که این نور چگونه از سمت دیگر خارج می‌شود٬ پژوهش‌گران نشان دادند که در یک شبکه‌ی لیب چنان جایگزیدگی‌هایی تنها در فرکانس‌های بسیار مشخصی روی می‌دهد. برای مابقی بخش طیف فرکانسی٬ نور آزادانه در سه جهت منتشر می‌شود. این مواد را می‌توان بعنوان یک فیبر اپتیکی درنظر گرفت که یک تک‌مُد اپتیکی از فرکانس‌های معین و یک الگوی چندمُده در تمامِ دیگر فرکانس‌ها دارد.
شکل ۱) مولینا و همکارانش [1] و تامسون و همکارانش [2] مواد فوتونی سه بعدی را توسعه داده‌اند که قادر است نور را در ساختارهایی دوبعدی (بنام شبکه‌های لیب) به دام بیاندازد. این ساختار از سه عنصر اپتیکی (A,B,C) که در یک الگوی پکیده با یک جای خالی در هر طرف دیگر هر خط قرار گرفته‌اند.
طرح‌هایی که برای به دام انداختن نور وجود دارند و در آنها نور قادر است آزادانه در یک جهت منتشر شود بر دیگر روش‌‌ها برتری دارد. این مواد ابزار بسیار آسان‌تری را برای مسدودکردن مسیر حرکت نور در دو جهت دیگر فراهم می‌کند. این کار با استفاده از موادی صورت می‌گیرد که تنها ضریب شکست متوسطی دارند. پیش‌ترها رهیافت یکسانی مورد استفاده بوده مثلاً در مشاهده‌ی جایگزیدگیِ نور عرضی [9] که در آن بی‌نظمی در دوجهت جلوی انتشار را می‌گیرد اما باعث می‌شود نور به شکل آزادانه در بُعد سوم انتشار یابد [10]. در ساختارهای منظم و بلورین٬ اثرات تداخلی باعث می‌شود نور در محیط نامنظم محدود شود. اما فیزیکی که پشت به دام اندازی نور در مواد نامنظم وجود دارد بسیار پیچیده‌تر است. عامل این پیچیدگی پدیده‌ای است که جایگزیدگی اندرسون نامیده می‌شود. این پدیده٬ یک پدیده‌ی تداخلی عمومی است که به مُدهای اپتیکیِ اتفاقی این امکان را می‌دهد تا با درجه‌ی بالایی از جایگزیدگیِ فضایی [11] تشکیل شوند.
مهندسی موادی با نظم و بی‌نظمی‌های ساختاری به یک پدیده‌ی نادر منجر می‌شود. به عنوان مثال پیش‌بینی شده که بلورهای فوتونی منظم با مقدار معینی از اتفاقی بودن می‌تواند نوع ویژه‌ای از جایگزیدگیِ قوی [12] را از خود نشان دهد. این پدیده بر پایه‌ی تواناییِ ساختارهای منظم در کاهش دادن سرعت امواج در یک فرکانس ویژه است و این باعث می‌شود بخش نامنظم ماده راحت‌تر مُدهای جایگزیده را ایجاد کند. با این حال تاکنون فیزیک‌دانان تجربی موفق به مشاهده‌ی این اثر نشده‌اند. سیستم‌هایی که توسط گروه مولینا و تامسون مورد استفاده قرار گرفته ممکن است راهی به سوی پیاده‌سازیِ یک طرح جایگزیدگیِ منظم-نامنظم فراهم کند. یک رهیافت ممکن عبارت است از افزودن بی‌نظمی به بخش دیگر شبکه‌ی لیبِ منظم. در یک روش جایگزین بخش منظمِ شبکه‌ی لیب بدون تغییر باقی می‌ماند و بی‌نظمی در بُعد سوم وارد می‌شود. این بی‌نظمی باعث می‌شود جایگزیدگیِ یک‌بعدی اندرسون براحتی در طول جهت انتشار نور ایجاد شود. به همراه جایگزیدگی نور در شبکه‌ی لیب دوبعدی این طرح می‌تواند یک تله‌ی نوری سه‌بعدی کامل به حساب آید.
در مجموع٬ نتایج پژوهش این محققان الهامی بدست می‌دهد تا با بهره‌گیری از آن بتوان طرح‌های جایگزینی برای به دام انداختن نور در مواد فوتونی ساختارمند فراهم کرد. چنان طرح‌هایی برای ساخت فیبرهای اپتیکی با ویژگی‌های خاص یا کاواک‌های اپتیکیِ میکروسکوپیکی می‌تواند بکار رود بشرط آن‌که جلوی انتشار در جهت بُعد سوم با یک روش قانع‌کننده مسدود شود. از نقطه‌نظر فیزیکی این نتایج مسیرهای جدیدی باز می‌کند تا بتوان به مطالعه‌ی نقش نظم و بی‌نظمی در فوتونیک پرداخت.
این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است.
مرجع‌ها:
1.
1. Rodrigo A. Vicencio, Camilo Cantillano, Luis Morales-Inostroza, Bastián Real, Cristian Mejía-Cortés, Steffen Weimann, Alexander Szameit, and Mario I. Molina, “Observation of Localized States in Lieb Photonic Lattices,” Phys. Rev. Lett. 114, 245503 (2015)
2. Sebabrata Mukherjee, Alexander Spracklen, Debaditya Choudhury, Nathan Goldman, Patrik Öhberg, Erika Andersson, and Robert R. Thomson, “Observation of a Localized Flat-Band State in a Photonic Lieb Lattice,”Phys. Rev. Lett. 114, 245504 (2015)
3. E. H. Lieb, “Two Theorems on the Hubbard Model,” Phys. Rev. Lett. 62, 1201 (1989)
4. D. S. Wiersma, “Disordered Photonics,” Nature Photon. 7, 188 (2013)
5. M. Brune, F. Schmidt-Kaler, A. Maali, J. Dreyer, E. Hagley, J. M. Raimond, and S. Haroche, “Quantum Rabi Oscillation: A Direct Test of Field Quantization in a Cavity,” Phys. Rev. Lett. 76, 1800 (1996)
6. M. Florescu, S. Torquato, and P. J. Steinhardt, “Designer Disordered Materials with Large, Complete Photonic Band Gaps,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 20658 (2009)
7. P. Barthelemy, J. Bertolotti, and D.S. Wiersma, “A Lévy Flight for Light,” Nature 453, 495 (2008)
8. M. D. Kelzenberg et al., “Enhanced Absorption and Carrier Collection in Si Wire Arrays for Photovoltaic Applications,” Nature Mater. 9, 239 (2010)
9. H. de Raedt, A. Lagendijk, and P. de Vries, “Transverse Localization of Light,” Phys. Rev. Lett. 62, 47 (1989)
10. T. Schwartz, G. Bartal, S. Fishman, and M. Segev, “Transport and Anderson Localization in Disordered Two-Dimensional Photonic Lattices,” Nature 446, 52 (2007)
11. E. Akkermans and G. Montambaux, Mesoscopic Physics of Electrons and Photons (Cambridge University Press, Cambridge, 2007)[Amazon][WorldCat]
12. S. John and Electromagnetic Absorption in a Disordered Medium near a Photon Mobility Edge, ” Phys. Rev. Lett. 53, 2169 (1984)
درباره‌ی نویسنده:
دیدریک ویریشما (Diederik Wiersma) مدرک پی‌اچ‌دی خود را از دانشگاه آمستردام در سال ۱۹۹۵ اخذ کرد. وی استادتمام دپارتمان فیزیک دانشگاه فلورانسِ ایتالیا و مسئول حوزه‌ی میکرو و نانوفوتونیک آزمایشگاه اروپاییِ اسپکتروسکوپیِ غیرخطی (LENS) است. علایق پژوهشی وی در ویژگی‌های اساسی مواد میکرو و نانو فوتونیک است٬ بویژه با ساختارهای متناوب٬ اتفاقی یا شبه‌بلوری و کاربرد آنها در زمینه‌ی نور و انرژی خورشیدی. اخیراً وی پژوهش جدیدی در حوزه‌ی میکرو رُباتیکِ نانوفوتونیک آغاز کرده است که توسط شورای تحقیقات اروپا حمایت می‌شود.
منبع:
نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
آمار بازدید: ۲۵۲
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
Server:
Iran (45.82.138.40)
