نانوويرك: تخيل بأن تتحول النوافذ بسهولة إلى مرايا، أو أجهزة كمبيوتر فائقة تعمل بالضوء بدلا عن الإلكترونات. هذه ليست سوى بعض التطبيقات المحتملة التي يمكن أن تظهر يومًا ما عبر الهندسة الضوئية باستخدام ضوء الليزر لتغيير خصائص المواد بسرعة وبشكل مؤقت.
يقول ديفيد هسيه أستاذ الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “يمكن أن تتيح لك هذه الأدوات تحويل الخصائص الإلكترونية للمواد بضغطة زر”. “لكن لكون توفر التقنيات محدودة حاليا لأن ضوء الليزر يسبب الحرارة العالية لمواد مما يفقده خواصه الطبيعية بشكل دائم.”
في دراسة جديدة في منشورة في “The Nature” بعنوان (“التعديل العملاق للخطية الضوئية بواسطة هندسة فلوكيت”)، أبلغ هسيه وفريقه ، بما في ذلك المؤلف الرئيسي وطالب الدراسات العليا جوني شان ، عن نجاحهم في استخدام بشكل لا يؤدي إلى دون اشعاع الحرارة العالية التي من شأنها تغيير خصائص المواد التي يسلط عليها.
يقول شان: “الليزر المستخدم في هذه التجارب قوي جدًا، لذا من الصعوبة عدم تسخين المواد وإتلافها”. “فمن جهة، نريد أن تخضع المادة لضوء الليزر شديد الكثافة. ومن جهة أخرى، لا نريد أن تمتص المادة أيًا من هذا الضوء على الإطلاق.” وللتغلب على هذا، وجد الفريق ما نطلق عليه “البقعة الحلوة” حيث يتم ضبط تردد الليزر بدقة لا يؤدي إلى تغيير خصائص المادة بشكل دائم دون نقل حرارة غير مرغوب فيها.
يقول الباحثون بأنهم وجدوا مادة مثالية لإتباع هذه الطريقة. وهي مادة شبه موصلة تسمى فوسفور المنغنيز الثلاثي الكبريتيد، التي تمتص بشكل طبيعي كمية صغيرة فقط من الضوء على مدى واسع من ترددات الأشعة تحت الحمراء. وفي هذه التجارب، استخدم هسيه وشان وزملاؤه نبضات مكثفة من الليزر تحت حمراء تدوم كل منها حوالي 10-13 ثانية، لتغير طاقة الإلكترونات داخل المادة بسرعة كبيرة. ونتيجة لذلك ، تحولت المادة من حالة شديدة التعتيم إلى حالة شفافة للغاية.
كما يقول الباحثون إن الأمر الأكثر أهمية هو حقيقة أن العملية قابلة للعكس. فعندما ينطفئ الليزر، تعود المادة على الفور إلى حالتها الأصلية من دون تضرر خصائصها وهذا غير ممكن إذا ما امتصت المادة الحرارة العالية لضوء الليزر، ثم أن الأمر سيستغرق وقتًا طويلاً حتى تتبدد الحرارة من المادة. وتُعرف هذه المعالجة الخالية من الحرارة باسم “الهندسة البصرية المتماسكة”.
وباستخدام هذه الطريقة يعمل ضوء الليزر على تغيير الاختلافات بين مستويات طاقة الإلكترونات في أشباه الموصلات (تسمى فجوات النطاق) دون دفع هذه الإلكترونات إلى مستويات مختلفة من الطاقة ، وهو ما يولد الحرارة المناسبة لمنع تغير خواص المواد بشكل دائم.
يشرح هسيه: “يبدو الأمر مثل القارب في البحر لتأتي موجة كبيرة تهز القارب بقوة صعودًا وهبوطًا دون أن تسبب في سقوط راكبيها من على متنها”. “ضوء الليزر المستخدم يهز بقوة مستويات طاقة المادة وهو ما يغير خصائص المواد ، لكن تبقى الإلكترونات ثابتة في مساراتها.”
سبق للباحثين وضع نظرية لكيفية عمل هذه الطريقة. على سبيل المثال ، في الستينيات من القرن الماضي ، طرح خريج معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جون إتش شيرلي أفكارًا رياضية حول كيفية حل مستويات الطاقة الإلكترونية في مادة في وجود الضوء. بناءً على هذا العمل ، تعاون فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مع المنظرين في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا لاحتساب التأثيرات المتوقعة لضوء الليزر من مادة فوسفور المنغنيز الثلاثي الكبريتيد. يقول هسيه بإن هذه النظرية طابقت التجارب بدقة “ملحوظة”.
يقول هسيه إن النتائج الظاهرة تعني أنه يمكن للباحثين الآخرين استخدام الضوء لإنشاء مواد اصطناعية ، مثل مغناطيسات الكم الغريبة ، والتي كان من الصعب أو حتى من المستحيل تكوينها بشكل طبيعي.
يقول شان: “من حيث المبدأ ، يمكن لهذه الطريقة تغيير الخصائص البصرية والمغناطيسية والعديد من الخصائص الأخرى للمواد”. “وأن هذه الطريقة بديلة عن تطبيقات علم المواد. فبدلاً من صنع مواد جديدة لتحقيق خصائص مختلفة ، يمكننا أن نأخذ مادة واحدة فقط ونعطيها في النهاية مجموعة واسعة من الخصائص المفيدة.”
تمت الترجمة من قبل موقع نادي نانو بتصرف
المصدر الرئيسي: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا منشور على رابط:
https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=59337.php
