جادوی بلورهای تاب‌خورده: راهی نو به‌سوی کنترل نور در مقیاس میکروتراشه‌ای

به گزارش سیلاد و به نقل از سای‌تک‌دیلی، این فناوری می‌تواند سامانه‌های اپتیکی حجیم و پیچیده را با یک تراشه‌ کوچک، قدرتمند و دقیق جایگزین کند.
 
اما بلورهای فوتونی مورا دقیقاً چگونه کار می‌کنند؟ برای درک بهتر، تصور کنید دو پارچهٔ نازک با الگوهای ساده و تکرارشونده (مانند خطوط راه‌راه یا چهارخانه) را روی هم قرار دهید.

اگر آن‌ها را دقیقاً روی هم بگذارید، الگوهای اولیه همچنان دیده می‌شوند. اما با کمی چرخش یا جابه‌جایی یکی از لایه‌ها، الگوهای جدید و پیچیده‌ای پدیدار می‌شوند که در هیچ‌کدام از لایه‌های اولیه به تنهایی وجود ندارند.
 
همین مفهوم در بلورهای فوتونی مورا نیز کاربرد دارد. با چرخش زاویه بین لایه‌ها یا تغییر فاصلهٔ آن‌ها، نحوهٔ تعامل نور با این ساختار تغییر می‌کند.

پژوهشگران می‌توانند با دقت بالا زاویه و فاصلهٔ بین لایه‌ها را تنظیم کرده و ویژگی‌های مختلف نور مانند فاز، قطبش و طول‌موج را هم‌زمان کنترل کنند. این امکان، افق‌های جدیدی را برای ساخت ابزارهای نوری بسیار جمع‌وجور اما کارآمد باز می‌کند.
 
گفتنی است تا پیش از این، مشکل اصلی آن بود که نمی‌شد این بلورها را در دستگاه‌هایی به کار گرفت که قابلیت تنظیم فعال زاویه و فاصله لایه‌ها را به‌صورت لحظه‌ای داشته باشند؛ مسئله‌ای که کاربرد آن‌ها را بسیار محدود می‌کرد.
 
دستیابی به جهشی بزرگ در طراحی تراشه‌های نوری
 اکنون پژوهشگران دانشگاه هاروارد با همکاری دانشگاه استنفورد و دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، موفق شده‌اند یک حسگر نوری مبتنی بر بلورهای مورا بسازند که با فناوری میکروماشین‌ها (MEMS) کار می‌کند. این فناوری اجازه می‌دهد زاویه و فاصلهٔ بین لایه‌ها به‌صورت زنده و دقیق تنظیم شود.
 
این حسگر نه تنها می‌تواند نور را در لحظه تنظیم کند، بلکه به‌طور هم‌زمان اطلاعات بسیار دقیقی از قطبش و طول‌موج نور دریافت می‌کند. این دستاورد در تاریخ ۳ آوریل در نشریه معتبر Nature Photonics منتشر شده و توسط نهادهایی مانند بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF)، دارپا (DARPA) و نیروی هوایی و دریایی آمریکا حمایت مالی شده است.
 

شایان ذکر است فرآیند ساخت نمونه‌ها در مرکز فناوری‌های نانو در دانشگاه هاروارد انجام شده است که یکی از اعضای شبکه ملی زیرساخت‌های هماهنگ نانو در آمریکا به شمار می‌رود.
 
کوچک، قابل تنظیم، و قدرتمند
 به گفتهٔ «اریک مازور»، استاد فیزیک کاربردی در دانشگاه هاروارد، این بلورهای نوری مورا به دلیل ویژگی‌های نادری که دارند — از جمله تنظیم‌پذیری بالا، کنترل دقیق نور، طراحی فشرده و مقیاس‌پذیر — می‌توانند تحولی بزرگ در فناوری‌های نوری ایجاد کنند.
 
«هانینگ تانگ»، نویسنده اول مقاله، نیز می‌گوید: «پژوهش ما نشان می‌دهد وقتی بتوانیم کنترل دقیقی بر این مواد داشته باشیم، چه ظرفیت بالایی دارند. این یک گام مهم به‌سوی ساخت دستگاه‌های اپتیکی تخت و همه‌کاره است که می‌توانند برای پردازش اطلاعات نوری در مقیاس گسترده به‌کار روند.»
 
راهی باز به‌سوی آینده‌ای نوری
 در طراحی جدید، لایه‌های بلوری بر روی عملگرهایی عمودی و چرخشی سوار شده‌اند که از طریق الکترودها کنترل می‌شوند. کل این سیستم تنها چند میلی‌متر اندازه دارد و می‌توان آن را با استفاده از فرآیندهای استاندارد ساخت تراشه (سازگار با فناوری CMOS) به‌صورت انبوه تولید کرد.
 
گفتنی است این پژوهشگران نشان دادند با تغییر فاصله و زاویهٔ لایه‌های بلوری، می‌توان به‌طور هم‌زمان تصویربرداری طیفی و قطبشی انجام داد. یعنی هر پیکسل تصویر، نه‌تنها رنگ، بلکه اطلاعات دقیقی دربارهٔ وضعیت قطبش نور را نیز در خود دارد.  

در نهایت، این فناوری می‌تواند در حوزه‌هایی مانند رایانش کوانتومی، ارتباطات نوری، تصویربرداری ماهواره‌ای و حتی اسکن‌های پزشکی کاربرد داشته باشد؛ جایی که دریافت دقیق اطلاعات نوری اهمیت زیادی دارد.