فيزياء مثبتة حديثًا: تهريب الضوء عبر مواد غير شفافة
تفتح الفيزياء المثبتة حديثًا نظارات الكالكوجينيد للتطبيقات في الأطوال الموجية المرئية والأشعة فوق البنفسجية.
اكتشف مهندسو الكهرباء في جامعة ديوك أن تغيير الشكل المادي لفئة من المواد شائعة الاستخدام في الإلكترونيات وضوئيات الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة - زجاج الكالكوجينيد - يمكن أن يوسع استخدامها إلى الأجزاء المرئية والأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي. تستخدم بالفعل تجاريًا في أجهزة الكشف والعدسات والألياف الضوئية ، وقد تجد نظارات الكالكوجينيد الآن مكانًا لها في تطبيقات مثل الاتصالات تحت الماء والمراقبة البيئية والتصوير البيولوجي.
نُشرت النتائج في مجلة Nature Communications .
كما يوحي الاسم ، تحتوي زجاج الكالكوجينيد على واحد أو أكثر من مادة كالكوجين - عناصر كيميائية مثل الكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم. لكن هناك فرد واحد من العائلة تركوه خارجًا: الأكسجين. تجعلهم خصائص المواد الخاصة بهم خيارًا قويًا للتطبيقات الإلكترونية المتقدمة مثل التبديل البصري والكتابة بالليزر المباشر الصغير جدًا (فكر في الأقراص المضغوطة الصغيرة القابلة لإعادة الكتابة) والبصمات الجزيئية. ولكن نظرًا لأنها تمتص الأطوال الموجية للضوء بقوة في الأجزاء المرئية والأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ، فإن نظارات الكالكوجينيد ظلت مقيدة منذ فترة طويلة بالأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة فيما يتعلق بتطبيقاتها في الضوئيات.
قالت ناتاليا ليتشينيتسر ، أستاذة الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة ديوك ، "لقد تم استخدام مادة الكالكوجينيدات في الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة لفترة طويلة ، ولكن كان لديهم دائمًا هذا القيد الأساسي المتمثل في فقدانها للأطوال الموجية المرئية والأشعة فوق البنفسجية". "لكن الأبحاث الحديثة حول كيفية تأثير الهياكل النانوية على الطريقة التي تستجيب بها هذه المواد للضوء تشير إلى أنه قد يكون هناك طريقة للتغلب على هذه القيود".
"لقد وجدنا أن إضاءة السطح الخارق المصنوع من أسلاك نانوية مصممة بحكمة مع ضوء قريب من الأشعة تحت الحمراء نتج عنه توليد ونقل التردد الأصلي والثالث التوافقي ، وهو أمر غير متوقع للغاية لأن التوافقي الثالث يقع في النطاق حيث يجب أن تمتص المادة هو - هي".
في بحث نظري حديث حول خصائص زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ، وهو شبه موصل شائع الاستخدام في الإلكترونيات ، توقع متعاونو Litchinitser ومايكل سكالورا من مركز الطيران والصواريخ التابع للجيش الأمريكي CCDC وماريا فينسنتي من جامعة بريشيا أن GaAs ذات البنية النانوية قد يستجيب للضوء بشكل مختلف عن نظرائه في الحجم أو حتى الأغشية الرقيقة. بسبب الطريقة التي تتفاعل بها النبضات الضوئية عالية الكثافة مع المادة ذات البنية النانوية ، فإن الأسلاك الرفيعة جدًا للمادة المصطفة بجانب بعضها البعض قد تخلق ترددات متناسقة عالية الترتيب (أطوال موجية أقصر) يمكن أن تنتقل عبرها.
تخيل أن وترًا جيتارًا مضبوطًا بحيث يصدر رنينًا عند 256 هيرتز - والمعروف أيضًا باسم وسط سي. كان الباحثون يقترحون أنه إذا تم تصنيعه بشكل صحيح تمامًا ، فقد يهتز هذا الوتر عند نتفه عند ترددات أعلى بمقدار واحد أو اثنين من الأوكتاف بكميات صغيرة.
قررت ليتشينيتسر وطالبة الدكتوراه جيانان جاو معرفة ما إذا كان الأمر نفسه ينطبق على نظارات الكالكوجينيد. لاختبار النظرية ، وضع الزملاء في مختبر الأبحاث البحرية غشاءًا رقيقًا يبلغ سمكه 300 نانومتر من ثلاثي كبريتيد الزرنيخ على طبقة سفلية من الزجاج تم تشكيلها بعد ذلك باستخدام تقنية النانو باستخدام الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون وحفر الأيونات التفاعلية لإنتاج أسلاك نانوية بثلاث كبريتيد الزرنيخ بعرض 430 نانومترًا و 625 نانومترًا. بعيدا، بمعزل، على حد.
على الرغم من أن ثلاثي كبريتيد الزرنيخ يمتص تمامًا الضوء فوق 600 THz - تقريبًا لون السماوي - اكتشف الباحثون أن أسلاكهم النانوية كانت ترسل إشارات صغيرة عند 846 THz ، والتي تقع بشكل مباشر في الطيف فوق البنفسجي.
"لقد وجدنا أن إضاءة السطح الخارق المصنوع من أسلاك نانوية مصممة بحكمة مع ضوء قريب من الأشعة تحت الحمراء نتج عنه توليد ونقل التردد الأصلي والثالث التوافقي ، وهو أمر غير متوقع للغاية لأن التوافقي الثالث يقع في النطاق حيث يجب أن تمتص المادة قال ليتشينيتسر.
ترجع هذه النتيجة غير البديهية إلى تأثير التوليد التوافقي الثالث غير الخطي و "قفل الطور" مع التردد الأصلي. قال ليتشينيتسر: "النبضة الأولية تحبس التوافقي الثالث ونوعًا من الحيل للمواد للسماح لهما بالمرور دون أي امتصاص".
من الآن فصاعدًا ، تعمل ليتشينيتسر وزملاؤها لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم هندسة أشكال مختلفة من الكالكوجينيدات التي يمكنها حمل هذه الإشارات التوافقية بشكل أفضل من الشرائط النانوية الأولية. على سبيل المثال ، يعتقدون أن أزواج الكتل الطويلة الرفيعة الشبيهة بالليغو التي تباعد مسافات معينة قد تخلق إشارة أقوى عند الترددين التوافقيين الثالث والثاني. ويتوقعون أيضًا أن تكديس طبقات متعددة من هذه الأسطح فوق بعضها البعض قد يعزز التأثير.
إذا نجح هذا النهج ، يمكن أن يفتح مجموعة واسعة من التطبيقات المرئية والأشعة فوق البنفسجية للمواد الإلكترونية الشائعة والمواد الضوئية للأشعة تحت الحمراء المتوسطة التي تم حجبها منذ فترة طويلة عن هذه الترددات الأعلى.
تعليقات
إرسال تعليق