امیدهای تازه در طراحی لیزر و حسگرهای جدید
دانشمندان نور را در یک شبه بلور پلیمری به دام انداختند
دانشمندان دانشگاه ITMO روسیه چندین آزمایش برای بررسی شبه بلورهای پلیمری انجام دادهاند که این آزمایشات در نهایت یک نظریه قدیمی را تأیید کرد. به این ترتیب در آینده، استفاده از شبه بلورها ممکن است امیدهای تازهای برای طراحی لیزر و حسگرهای نوین ایجاد کند. این مقاله در نشریه اپتیکی معتبر[1] منتشر شده است.
بلورها جامداتی با ساختار تکرار شونده هستند، یعنی وقتی اتمها جابجا میشوند، ساختار باز هم بدون تغییر باقی میماند. این واقعیت در ابتدای قرن بیستم از نظر علمی ثابت شد و باعث ایجاد فیزیک حالت جامد مدرن شد و همچنین پایه و اساس توسعه فناوریهای نیمه‌هادی را ایجاد کرد.
میخائیل ریبین[2]، دانشیار دانشکده فیزیک و مهندسی میگوید: “رایانهها، تلفنهای هوشمند، لامپهای LED، لیزر و همه چیزهایی که زندگی روزمره کنونی خود را بدون آن تصور نمیکنیم؛ همه و همه به لطف درک ما از ماهیت ساختار بلوری و مواد نیمه‌هادی ایجاد شدهاند”. تئوری ساختارهای تناوبی به ما اجازه میدهد که نتیجه بگیریم که امواج اعم از نور، یا صدا فقط به دو طریق میتوانند در این مواد حرکت کنند. یا موج در بلور به جلو حرکت میکند، یا در فرکانسهایی که اصطلاحاً باند شکاف نامیده میشوند، به سرعت محو میشود. گزینه دیگری وجود ندارد و این مسئله ضمن تسهیل کارهای مهندسی، قوانین انتشار ذرات را نیز بسیار ساده میکند.
با این حال بعضی از دستگاهها به بلوری نیاز دارند تا موج را منتقل نکند و آن را از بین هم نبرد، بلکه برای مدتی آن را در خود نگه دارد، چیزی مانند “تله نوری”.
در لیزر یا حسگرها، موج باید چندین بار از درون محیط فعال عبور کند تا بهره‌وری آن افزایش یابد. بنابراین ایجاد یک تله نوری میتواند کمک شایانی به این فناوریها کند. نگهداری نور در یک منطقه کوچک بسیار دشوار است و این یک چالش مهم برای فیزیک مدرن است.
در حالت ایده آل به نظر میرسد که کل ماده فعال باید نقش “تله” را بازی کند، زیرا هرچه نور بیشتری گرفته شود اثر متقابل موج با ماده فعال بیشتر خواهد بود. اما این موضوع در مورد بلورها امکان پذیر نیست. همان‌طور که قبلاً گفته شد، بلورها فقط میتوانند موج را از بین ببرند و یا اجازه دهند از آنها عبور کند.
شکل 1- یک “تله” نوری. تصویر از مقاله
شکل 2- الگوی پراش شبه بلور icosahedral. a) الگوی پراش تجربی. (b الگوی پراش شبیه سازی شده. نقاط مشابه با بیضیهای خط چین دار مشخص و شماره گذاری شدهاند.
در عوض، امکان جایگزیده کردن نور در ساختارهای بی‌نظم مانند پودرها وجود دارد. با این حال، ما نمیتوانیم در چنین سیستمهایی به قابلیت تولید مجدد برسیم. زیرا در یک نمونه، ذرات به یک صورت مرتب شدهاند و در دیگری به شکلی کاملاً متفاوت. برای کاربردهای عملی، ما به چیزی مناسب برای تولید انبوه دستگاههای مشابه نیاز داریم.
راه سومی نیز وجود دارد. ما میتوانیم از نوع میان مادهای استفاده کنیم که در آن ذرات، شبکه تناوبی مانند آنچه در بلورها اتفاق میافتد ایجاد نکنند، اما در عین حال از نظر ریاضی نظم دقیقی داشته باشند. این ساختارها شبه‌بلور نامیده میشوند. ساختارهای شبه‌بلور در دهه 1980 کشف شدند و از آن زمان توسط فیزیکدانان مورد بررسی قرار گرفتند.
از آنجا که هیچ تناوبی در شبه‌بلورها وجود ندارد، محدودیتی هم وجود ندارد که موج یا بتواند مستقیماً بدون از دست رفتن عبور کند یا به سرعت ناپدید شود. مقالهای در سال 2017 منتشر شد، که پدیده جایگزیده کردن نور در ساختارهای شبه‌بلوری را پیش‌بینی کرده بود و دانشمندان دانشگاه ITMO آن را به صورت تجربی تأیید کردند.
شکل 3- آرتم سینلنیک[3] در آزمایشگاه دانشگاه ITMO
در طول تقریباً 40 سال مطالعه شبه بلورها، فیزیکدانان ساختار آنها را درک کرده و مدل سازی آن را بر روی کامپیوتر انجام دادهاند؛ اما مسئله اینجا است که ایجاد چنین شبه بلورهایی بر روی سطوح کوچک چندان آسان نیست.
آرتم سینلنیک، دانشجوی دکترای گروه فیزیک و مهندسی این دانشگاه میگوید: “این جا است که فناوری به کمک ما میآید. در دانشکده ما، یک چاپگر سه بعدی نانو وجود دارد که کمترین حجم پرینت آن حدود نیم میکرون است، که صد برابر کوچکتر از تار موی انسان است. با کمک آن، ما شبه‌بلوری با توزیع ساختاری پیچیده در سه بعد ایجاد کردیم”.
شکل 4- آرتم سینلنیک (دانشگاهITMO)
دانشمندان پس از ایجاد نمونهها، مطالعه مقدماتی خود را آغاز کردند. آنها کیفیت سطح را با میکروسکوپ الکترونی تجزیه و تحلیل کردند؛ سپس به اندازه‌گیری های نوری پرداختند تا تأیید کنند که شکل داخلی نمونه واقعاً ساختار شبه بلوری دارد.
پس از آن آزمایشی را انجام دادند که در آن یک پالس نوری كوتاه به شبه بلور تابانده و خروجی آن اندازه‌گیری شد و مشخص شد که نور با تأخیر از نمونهها خارج میشود، یعنی نور برای مدت طولانی در داخل نمونه نگه‌داشته میشود. بنابراین، دانشمندان توانستند نگهداری نور در یک شبه‌بلور پلیمری سه بعدی را تأیید کنند.
شکل 5- میخائیل ریبین و آرتم سینلنیک (دانشگاهITMO)
چشم‌انداز آینده این فناوری
در حال حاضر، این کار صرفاً یک کار بنیادی بوده است که خصوصیات نوری شبه بلورهای پلیمری ایجاد شده با چاپگر نانو سه بعدی و توانایی آنها در محلی سازی نور را نشان میدهد. این مطالعه ممکن است در آینده برای مقاصد دیگری مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، معمولاً لیزر براساس این واقعیت طراحی میشود كه یك محیط فعال وجود دارد كه در آن نور از طریق تشدیدگر خارجی بزرگی جایگزیده میشود. در این‌کار، نشان داده شد که یک شبه‌بلور میتواند عملکرد یک محیط فعال و یک تشدیدگر را در یک ساختار واحد ترکیب کند.
Source: https://scitechdaily.com/scientists-capture-light-in-a-polymeric-quasicrystal-new-possibilities-for-laser-and-sensor-design/
adom202001170-sup-0001-suppmat.PDF
[1] Advanced Optical Materials
[2] Mikhail Rybin
[3] Artem Sinelnik