انجماد هسته مایع یک تار نوری، شرایطی فوق‌العاده ایجاد کرده که در آن برهمکنش نور و صوت، بیش از ۱۰۰۰ برابر قوی‌تر از تارهای نوری معمولی است. پژوهشگران با بهره‌گیری از این پدیده، نوعی حافظه اپتوآکوستیک (نوری-صوتی) ساختند که می‌تواند راه را برای دستیابی به رایانه‌های فوتونیکی با مصرف انرژی کمتر و فناوری‌های کوانتومی پیشرفته هموار سازد

تصویر هنری از یک هسته تار نوری منجمد در یک لوله مویین شیشه ای که امواج نور و صوت را به طور موثر هدایت و جفت می کند. عکس از: @Philipp Denghel

تبدیل مایع به جامد در طبیعت امری آشناست. گدازه ای که از یک آتشفشان جاری می شود سرانجام سرد شده و به سنگ تبدیل می شود، در حالیکه آب موجود در یک دریاچه می تواند در طول یک زمستان سرد به یخ تبدیل شود. وقتی مواد دستخوش این تغییرات فاز می شوند، ویژگیهای فیزیکی مهمی نیز می توانند تغییر کنند، از جمله چگالی و ضریب شکست که بر نحوه عبور صدا و نور از آنها تاثیر می گذارند.

یک فرآیند مرتبط نقش مهمی در ساخت تارهای نوری بازی می کند. پیش سازه های شیشه ای تا زمانیکه ساختارشان به اندازه کافی شل شود که بتوانند به صورت تارهای بسیار نازک کشیده شوند، حرارت داده می شوند. نور از میان هسته تار عبور می کند که به اطلاعات این امکان را می دهد تا به سرعت در فواصل طولانی حرکت کنند. این قابلیت تارهای نوری را به عنصر حیاتی برای ارتباطات مدرن تبدیل کرده است.

دانشمندان همچنین تارهای نوری تخصصی را برای فناوریهایی از جمله لیزرهای تاری، آندوسکوپ های تاری و حسگرهای تاری توسعه داده اند. برخی از تارهای هسته توخالی را می توان با گازها یا مایعات پر کرد که به آنها این امکان را می دهد تا از توزیع های دمایی نقشه برداری کنند یا حتی به عنوان آزمایشگاه های کوچک برای آزمایشهای شیمیایی عمل کنند.

منجمد کردن هسته مایع در دماهای بسیار پایین

پژوهشگرانی از موسسه دانش نور ماکس پلانک (MPL) در اِرلانگن، دانشگاه لایبنیتس هانوفر (LUH) و موسسه فناوریهای فوتونیک لایبنیتس (IPHT) در یِنا، اکنون تارهای نوری با هسته مایع (LiCOF) را در مسیر جدیدی قرار داده اند.

این گروه، مایع درون تارها را با نیتروژن در دمای 196- درجه سلسیوس سردسازی کردند که موجب می شود ماده موجود در هسته از مایع به جامد تغییر حالت دهد. به طور حیرت آوری، انجماد هسته مانع انتقال نور از تار نشد.

سایمون سیدرر Simon Seiderer، یکی از سه نویسنده اصلی مقاله و پژوهشگر در گروه پژوهشی "آکوستیک نوری کوانتومی" تحت هدایت پروفسور دکتر بیرجیت استیلر Birgit Stiller می گوید: " نکته کلیدی این است که بخش منجمد تارهای نوری با هسته مایع، قابلیت خود را برای هدایت نور حفط می کند. نه تنها این، بلکه هر دو بخش مایع و منجمد تار، امواج صوتی فراصوت (هایپرسونیک) را نیز هدایت می کنند."

نور و صوت بیش از 1000 برابر قویتر با هم برهمکنش میکنند

پژوهشگران از برهمکنش قوی غیرمعمول بین نور و صدا درون تار منجمد بهره بردند. این پدیده که پراکندگی بریلوئن-ماندلستام نامیده می شود، از قبل در تارهای نوری متداول شناخته شده است.

با این حال، منجمد شدن هسته مایع یک محیط فوق العاده چگال و کاملا محبوس ایجاد می کند. تحت این شرایط، برهمکنش بین نور و صوت بیش از 1000 برابر قوی تر از آنچه در تارهای نوری استاندارد است می شود.

این افزایش چشمگیر به گروه اجازه داد تا حافظه آکوستیک نوری را به نمایش بگذارند، یک مولفه کلیدی که می تواند در محاسبات نورومورفیک فوتونیک درون تارها مورد استفاده قرار گیرد.

این رویکرد بر تفاوت عظیم بین سرعت های نور و صوت متکی است. اطلاعاتی که توسط یک موج نوری با سرعت بالا حمل میشود، می تواند به امواج صوتی بسیار کندتر انتقال داده شود، جایی که به طور موقت حفظ شده و سپس دوباره به نور تبدیل میشود.

از آنجا که LiCOF منجمد چنین برهمکنش کارآمدی را بین نور و صوت امکان پذبر می سازد، این فناوری می تواند راه های جدیدی برای کاهش شدید میزان انرژی مورد نیاز سیستم های محاسباتی فوتونیک آینده ارائه دهد.

سکویی جدید برای فناوری فوتونیک و کوانتومی

این کار بر پایه یک همکاری طولانی مدت با پروفسور مارکوس اشمیت Markus Schmidt و پروفسور ماریو کمنیتز Mario Chemnitz از IPTH یِنا که پیشگام تحقیقات مربوط به تارهای نوری با هسته مایع بودند، انجام شده است. افزودن مرحله انجماد به پژوهشگران این امکان را داد تا به اثرات غیرخطی بسیار بیشتری درون تار دست یابند.

استیلر می گوید: " با منجمد کردن هسته مایع، ما یک سکو (پلتفورم) فیزیکی کاملا جدید ایجاد کرده ایم که غیرخطی بودن های شدیدی را ضمن سادگی در استفاده کردن فراهم می کند. اگرچه نشان دادن یک حافظه آکوستیک نوری بسیار کارآمد، یک گام اولیه فوق العاده است، اما این سطح از جفت شدگی نور-صوت نه تنها امکانات جدید و هیجان انگیزی را برای محاسبات نورومورفیک، بلکه برای پردازش اطلاعات کوانتومی، فوتونیک میکروموج و حسگری با دقت بالا نیز فراهم می کند."

1. Simon Seiderer, Andreas Geilen, Luan N. Sliwa, Linqiao Gan, Xue Qi, Mario Chemnitz, Markus A. Schmidt, Birgit Stiller. Giant Brillouin gain in frozen CS2 capillaries. Optica, 2026; 13 (7): 1415 DOI: 10.1364/OPTICA.600056

منبع:

This frozen fiber makes light and sound interact 1,000x more strongly

ترجمه خبر: بهناز ساربانها