ابزاری جدید در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech-کلتک) قادر است با استفاده از یک پرتو دیگر و یک فراسطح سیلیکونی در مقیاس نانو، مسیر پرتو نور را تنها در مدت ۷۴ فمتوثانیه تغییر دهد. این دستاورد می‌تواند راه را برای دستیابی به فناوری‌های بسیار سریع‌تر در حوزه‌های ارتباطات فوتونیکی، رایانش و حسگری هموار سازد.

پژوهشگران کلتک تراشه‌ای ساخته‌اند که با استفاده از یک پرتو نورِ دارای الگو، خواص نوری «فراماده» را تغییر می‌دهد. سپس پرتو دوم می‌تواند از میان این ماده عبور کرده و متناسب با الگوی پرتوی اول، منحرف شود.

نور می‌تواند حجم عظیمی از اطلاعات را با سرعتی فوق‌العاده منتقل کند؛ به همین دلیل، فناوری‌های فوتونیکی برای دستیابی به ارتباطات سریع‌تر، محاسبات قدرتمندتر و حسگرهای بسیار حساس، مورد مطالعه و بررسی قرار دارند. با این حال، برای عملکرد این سامانه‌ها، پژوهشگران به روش‌هایی دقیق جهت کنترل جهت نور و تغییر آن با سرعتی بسیار بالا نیاز دارند.

پژوهشگران کلتک اکنون دستگاهی ساخته‌اند که با استفاده از یک پرتو نور، مسیر پرتو نوری دیگر را تنها در مدت ۷۴ فمتوثانیه (۷۴ کوادریلیونمِ ثانیه) تغییر می‌دهد؛ این مدت‌زمان تقریباً معادل زمانی است که نور برای پیمودنِ عرضِ یک تار موی انسان نیاز دارد.

هدایت نور به وسیله نور بسیار چالش‌برانگیز است، زیرا نور معمولاً برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارد. هری آتواتر (Harry Atwater) ، استاد فیزیک کاربردی و علوم مواد (با عنوان کرسی «هاوارد هیوز») و رئیس بخش مهندسی و علوم کاربردی (با عنوان کرسی رهبری «اوتیس بوث») در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک)، می‌گوید: "با استفاده از فراسطوح نوری — که ورقه‌هایی فوق‌العاده نازک و با مهندسی دقیق در مقیاس نانو هستند — می‌توانیم شدت این برهمکنش را افزایش دهیم تا انجام این کار با بازدهی بسیار بالاتر امکان‌پذیر شود.

محققان یافته‌های خود را در مقاله‌ای که اخیراً در Nature Nanotechnology منتشر شده است، گزارش می‌دهند. نویسنده اصلی، کلودیو هیل (Claudio Hail)، این تحقیق را در زمانی که محقق پسا دکترا در آزمایشگاه کلتک آتواتر بود، انجام داد. او اکنون استادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است.

چرا هدایت متعارف نور محدودیت سرعت دارد؟

بسیاری از فناوری‌های موجود برای هدایت یا مدولاسیون نور، به تغییر خواص الکترونیکی ماده وابسته‌اند. از جمله این موارد می‌توان به پنل‌های کریستال مایع در پروژکتورها و تراشه‌های نوری در سامانه‌های مخابراتی اشاره کرد.

در این دستگاه‌ها، الکترون‌ها قبل از بازگشت به حالت‌های انرژی پایین‌تر و آزاد کردن انرژی اضافی خود، به حالت‌های انرژی بالاتر هل داده می‌شوند. این واهلش زمان می‌برد و باعث ایجاد تنگنایی می‌شود که معمولاً مدولاسیون نور را به مقیاس‌های زمانی نانوثانیه یا پیکوثانیه (تریلیونُمِ ثانیه) محدود می‌کند.

تیم آت‌واتر با حذف نیاز به سیگنال الکتریکی، رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت. در عوض، پژوهشگران از پرتو نوری قدرتمند — موسوم به «پمپ» — با الگویی دقیق و حساب‌شده استفاده کردند که رفتار نوری ماده را به‌طور موقت تغییر می‌داد.

سپس پرتو دوم و ضعیف‌تری، موسوم به «پرتو کاوشگر» (probe beam)، از آن ماده عبور کرد. جهت این پرتو بر اساس الگویی که توسط «پرتو پمپ» (pump beam) ایجاد شده بود، تغییر کرد.

استفاده از اثر نوری کر

این سامانه بر پدیده‌ای موسوم به «اثر نوری کر » (Optical Kerr effect) متکی است. هنگامی که باریکه‌ای از نورِ شدید از درون ماده‌ای عبور می‌کند، می‌تواند برای لحظه‌ای تغییری بسیار ناچیز در ضریب شکست ماده ایجاد کند؛ ضریب شکستی که نشان‌دهنده میزان کاهش سرعت و انحراف مسیر نور هنگام عبور از آن ماده است.

این اثر ناشی از تغییراتی در حرکت الکترون‌ها درون اوربیتال‌هایشان است؛ یعنی همان نواحی پیرامون هسته اتم که احتمال حضور الکترون‌ها در آن‌ها زیاد است. نکته حائز اهمیت این است که الکترون‌ها به حالت‌های برانگیختهٔ مجزا و پایدارتر سوق داده نمی‌شوند.

در نتیجه، این تغییر می‌تواند تقریباً به همان سرعتِ خودِ تپشِ نوری پدیدار و ناپدید شود. نیازی نیست منتظر ماند تا الکترون‌های برانگیخته به ترازهای انرژی پایین‌تر بازگردند.

با این حال، اثر نوری کر به تنهایی آن‌قدر ضعیف است که نمی‌تواند پرتو نور را به میزانی که در ابزارهای کاربردی مفید باشد، منحرف کند.

ستون‌های سیلیکونی در مقیاس نانو، این اثر را تقویت می‌کنند

برای تقویت پاسخ، پژوهشگران یک فراسطح (meta-surface) از لایه‌ای نازک از سیلیکون بی‌شکل (آمورف) ایجاد کردند. این سطح با ستون‌هایی در مقیاس نانو پوشانده شده بود که ابعاد هر یک از آن‌ها کوچک‌تر از طول موج نور پمپ بود.

تیم پژوهشی با انتخاب دقیق اندازه و فاصله‌ی این ستون‌ها، باعث شد که نور به‌جای عبور مستقیم و ساده، مدت بیشتری درون فراسطح باقی بماند و در آن گردش کند.

آن زمانِ تعاملِ اضافی، تغییرِ جزئیِ ضریب شکست در سیلیسیم را تشدید کرد. اثرِ حاصل به اندازه‌ای قوی شد که توانست مسیر پرتو کاوشگر را تغییر دهد.

با استفاده از این طراحی، پژوهشگران نور را با زوایایی تا ۱۳ درجه و تنها در مدت ۷۴ فمتوثانیه هدایت کردند. آن‌ها همچنین نشان دادند که سرعت مدولاسیون توسط مدت‌زمان پالس پمپ (که آن نیز ۷۴ فمتوثانیه بود) محدود می‌شد.

شاید کنترل سریع‌تر نور نیز امکان‌پذیر باشد

پژوهشگران می‌گویند محدودیت سرعت کنونی ناشی از پالس‌های لیزریِ به‌کاررفته برای راه‌اندازی سامانه است، نه ویژگی‌های بنیادینِ خودِ فراماده.

این امر امکان سریع‌تر کردن این فرآیند را فراهم می‌کند. با توسعه بیشتر، این فناوری می‌تواند به مقیاس‌های زمانی مرتبط با مفاهیم فوتونیکی نوظهور، از جمله کریستال‌های زمانی و مواد نوری مصنوعی متغیر با زمان، دست یابد.

عنوان این مقاله «هدایت پرتو تمام نوری فوق سریع و قابل پیکربندی مجدد و مدولاسیون نور فضایی» است[1]. لیور میکائلی (Lior Michaeli) نیز در کنار هیل (Hail) و آتواتر، از نویسندگان این مقاله است. او این پژوهش را در دوران فعالیت خود به عنوان پژوهشگر پسادکتری در کلتک انجام داد و اکنون استادیار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه تل‌آویو است.

این پژوهش با حمایت مالی «دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی» و «ابتکار تحقیقات دانشگاهی چندرشته‌ای فرا-تصویربرداری» (Meta-Imaging) آن، «بنیاد ملی علوم سوئیس»، برنامه بورسیه «فولبرایت» و «بنیاد بریک‌ثرو» (Breakthrough Foundation) انجام شد. «موسسه علوم نانوی کاولی» در کلتک نیز زیرساخت‌ها و پشتیبانی لازم را برای این کار فراهم کرد.

1. Claudio U. Hail, Lior Michaeli, Harry A. Atwater. Ultrafast, reconfigurable all-optical beam steering and spatial light modulation. Nature Nanotechnology, 2026; 21 (7): 940 DOI: 10.1038/s41565-026-02199-w

منبع:

Caltech’s tiny new chip can steer light in 74 quadrillionths of a second

ترجمه خبر: شهره کرمی