لیزر خنده تراهرتز!!
شکل ۱- یک لیزر تراهرتز با اندازه جعبه کفش (امواج سبز) با بهره گیری از دمش یک لیزر فروسرخ برای یک تیوب از گاز خنده با اندازه یک خودکار
شاید شنیده باشید که امواج تراهرتز در وسط طیف الکترومغناطیس، میان میکروموج و نور مرئی قرار گرفته است. فرکانس این امواج از امواج میکروموج بیشتر و از فروسرخ و مرئی کمتر است. در جایی که نور اپتیکی به وسیله بسیاری از مواد متوقف می شود، امواج تراهرتز هم مانند میکروموج ها می توانند در مسیر مستقیم به انتشار خود ادامه دهند. اما آنچه شاید برای نخستین بار بشنوید این است: امید آن می‌رود که از این امواج بتوان برای تصویربرداری اشعه-تی (مشابه تصویربرداری اشعه-ایکس) استفاده کرد. به طور کلی اگر امواج تراهرتز شکل لیزر به خود بگیرند، می توان تصویر اشعه-تی داشت که به کمک آن، داخل لباس، جلد کتاب ها و بقیه مواد نازک هم مشخص می شود. یک چنین فناوری می تواند تصاویر ورقه ای با تفکیک پذیری بزرگ‌تر از میکروموج ها تولید کند و در عین حال بسیار امن‌تر از اشعه ایکس باشد.
شکل ۲- طیف فرکانسی و امواج تراهرتز
اما دلیل اینکه ما دستگاه های اشعه-تی را مثلاً در خطوط امنیتی فرودگاه ها و یا امکانات تصویربرداری پزشکی نمی بینیم این است که تولید پرتوهای تراهرتز، عموماً نیازمند چیدمان ها و یا ابزارهای بسیار بزرگ و حجیم بوده است که بسیاری از این تجهیزات باید در دماهای بسیار پایین کار کنند تا در نهایت گسیل تراهرتز تک فرکانسی داشته باشند، گسیلی که خیلی هم نمی توانست مفید باشد چرا که نفوذ به مواد مختلف، نیازمند بهره گیری از گستره وسیعی از فرکانس هاست و با یک تک فرکانس کاربردهای آن بسیار محدود می شود. اما به تازگی همکاری پژوهشگران دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و دفتر تحقیقات ارتش امریکا در راستای تولید لیزر تراهرتز تنظیم پذیری که در طیف گسترده ای از فرکانس ها در دمای اتاق کار کند، منجر به ساخت یک ابزار کوچک با اندازه یک جعبه کفش شده است. این ابزار با قطعات معمولی تجاری ساخته شده و در آن امواج تراهرتز از انرژی مولکول ها در اکسید نیتروژن یا نام معروف تر آن از گاز خنده تولید شده است.
شکل ۳- تصویربرداری اشعه-تی با لیزر تراهرتز
به گفته استیون جانسون۱ پروفسور ریاضیات در دانشگاه MIT، امواج تراهرتز علاوه بر تصویرسازی اشعه-تی می توانند برای مثال با انتقال اطلاعات در پهنای باند بالاتر از رادارها، برای ارتباطات بی‌سیم به کار روند.
شکل ۴- استیون جانسون، دانشگاه MIT
با توجه به این که می توان با تنظیم فرکانس امواج تراهرتز، مسافتی را که این امواج قبل از جذب شدن در هوا طی می کنند، تنظیم کرد، بنابراین انتخاب دقیق دریافت کننده امواج تراهرتز از این طریق بسادگی امکان پذیر است. البته باید در نظر داشت که برای کاربرد این امواج در ارتباطات بی سیم، رادار و طیف سنجی، آسان بودن روش تنظیم منبع تراهرتز مثل سادگی پیچ تنظیم رادیو، اهمیت بسیار حیاتی دارد.
از کجا آغاز شد؟
آزمایش های اولیه برای تولید امواج تراهرتز با کمک لیزرهای گازی مولکولی از سال ۱۹۷۰ انجام شد. در این آزمایش ها، یک لیزر فروسرخ پرتوان به یک لوله بزرگ پر از گاز (مثل گاز متیل فلوراید) تابانیده می شد که به دنبال خود، ارتعاش و چرخش مولکول ها را ایجاد می کرد. در این شرایط، مولکول ها با دریافت انرژی از یک تراز چرخشی به تراز چرخشی دیگر می رفتند و اختلاف ترازها به گونه ای بود که فروافت مولکول ها با تابش یک فوتون در گستره تراهرتز همراه می شد. به این ترتیب امید می رفت با ایجاد فوتون های بیشتر، بتوان یک لیزر تراهرتز ساخت.
اما چنان که پژوهشگران معتقدند، مدلسازی های تئوری غیرقابل اعتماد، مانع از بهبود طراحی و گسترش این لیزرهای گازی شد. چرا که شبیه سازی ها پیش بینی می کردند در کاواک های کوچک پرفشار، از یک فشار گاز بالاتر، مولکول ها به حدی به هم نزدیک می شوند که امکان چرخش و در نتیجه امکان تابش تراهرتز ندارند. به همین دلیل برای تولید لیزرهای تراهرتز، کاواک لیزرهای گازی تراهرتز با طول هایی از محدوده متر و لیزرهای فروسرخ بزرگ برای دمش آن‌ها مورد نیاز بود که کاربری آن‌ها را به شدت محدود می کرد.
جالب است بدانید در دهه ۸۰، اوریت[۱] در آزمایشگاه خود توانست از یک لیزر گازی بسیار کوچک‌تر از دستگاه های رایج و در کاواکی با فشار بالاتر از آنچه شبیه سازی ها پیش بینی می کردند، امواج تراهرتز تولید کند. اما برای این ناسازگاری با تئوری، به دنبال دلیلی نرفت و با نادیده گرفتن این آزمایش، کار بر روی لیزرهای گازی تراهرتز به جاده انحرافی افتاد. تا این که چند سال پیش هنگامی که اوریت با پروفسور جانسون در دانشگاه MIT روی پروژه نانوتکنولوژی نظامی کار می کرد، این موضوع عنوان شد. آن‌ها در مسیر حل این چالش، نظریه محاسباتی تازه ای برای توصیف رفتار گاز در کاواک لیزرهای گازی مولکولی معرفی کردند. این نظریه می توانست توضیح دهد که چرا امواج تراهرتز می توانند حتی در کاواک های بسیار کوچک و پرفشار نیز تولید شوند. در واقع مولکول های گاز در نتیجه دمش با لیزر فروسرخ می توانند در فرکانس های چندگانه و مدهای چرخشی ارتعاش کنند اما نظریه قبلی، بسیاری از این حالت های ارتعاشی را به شمار نمی آورد و در عوض فرض آن این بود که در نهایت تنها برخی از ارتعاشات در تولید امواج تراهرتز مؤثر هستند. بنابراین بر مبنای نظریه قبلی، مولکول های ارتعاش کننده در نتیجه دمش لیزر فروسرخ خیلی بیشتر از معمول در یک کاواک بسیار کوچک با یکدیگر برخورد می کردند و انرژی ارتعاشی خود را به جای تابش امواج تراهرتز، در این برخوردها از دست می دادند.
اما در مدل محاسباتی جدید، هزاران تراز ارتعاشی و چرخشی میان میلیون ها دسته مولکول موجود در یک تک کاواک، به حساب آورده می شوند. پیگیری و حل چنین مسأله پیچیده ای تنها با به کارگیری شگردهای محاسباتی جدید در یک لپ تاپ قابل ردیابی می شود و نشان می دهد مولکول ها چگونه بر اساس موقعیت و جهت حرکتشان در کاواک، با لیزر فروسرخ فرودی برهم کنش انجام می دهند.
در نتیجه این نظریه محاسباتی تازه، پژوهشگران دریافتند هنگامی که همه آن حالت های ارتعاشی دیگر را به شمار بیاورند، یک حائل ایجاد می شود که به مولکول ها فرصت تولید امواج تراهرتز را می دهد. پیش بینی مدل ساده اولیه آن بود که مولکول های در حال چرخش، پس از برخورد همه انرژی خود را از دست می‌دهند اما وقتی همه حالت های ارتعاشی به شمار آورده شد، دیگر این نتیجه به دست نمی آمد و حفظ چرخش و تولید امواج تراهرتز برای مولکول ها محتمل می شد.
لیزر خنده چطور کلید خورد؟
هنگامی که تیم دانشگاه MIT، همچنان که اوریت دهه ها پیش دیده بود، متوجه شدند پیش بینی های مدل جدید درست است، برای طراحی یک مولد تراهرتز جمع و جور جدید با گاز و لیزر فروسرخ جدید، به یک تیم از دانشگاه هاروارد پیوستند.
آن ها از لیزر آبشار کوانتومی[۲] کوچک و تنظیم پذیر، به عنوان منبع فروسرخ برای دمش استفاده کردند. تنظیم لیزر فروسرخ تنها با پیچاندن یک پیچ امکان پذیر بود و محققین را امیدوار می کرد که بتوانند به طور مشابه با یک پیچ ساده، فرکانس امواج تراهرتز تولیدی را نیز تنظیم کنند.
در ادامه این تیم حرفه ای محاسباتی، به یک گروه پژوهشگر پیشرو در زمینه لیزرهای آبشار کوانتومی پیوست تا این گروه گستره توانی که پیش بینی می شد برای عملکرد یک کاواک لیزری در ابعاد یک خودکار لازم باشد، را فراهم کنند. حالا باید یک گاز مناسب انتخاب می شد. برای این کار مشغول مطالعه در کتابخانه گازها شدند تا گازی را پیدا کنند که در پاسخ به دمش لیزر فروسرخ، به یک صورت خاص چرخش داشته باشد و سرانجام به گاز اکسید نیتروژن یا گاز خنده به عنوان یک گاز ایده آل و در دسترس برای آزمایش ها رسیدند.
شکل ۵- لیزر آبشار کوانتومی که برای دمش لیزر تراهرتز گازی به کار می‌رود (تیم دانشگاه هاروارد)
آن‌ها اکسید نیتروژن با درجه کیفی آزمایشگاهی را برای استفاده در یک کاواک با اندازه یک خودکار، سفارش دادند و پس از دمش گاز با پرتو فروسرخ لیزر آبشار کوانتومی، دریافتند که می توانند لیزر امواج تراهرتز بسازند. از طرف دیگر با تغییر و تنظیم فرکانس لیزر فروسرخ در این آزمایش ها توانستند فرکانس امواج تراهرتز را در گستره وسیعی تغییر دهند و این ایده آل بود. همه این شواهد با مفهوم جهانی یک منبع لیزر مولکولی تراهرتز سازگار بود که با دمش پیوسته یک لیزر تنظیم پذیر آبشار کوانتومی، قابلیت تنظیم روی همه حالت های چرخشی را پیدا می کرد، همچنان که در آزمایش های اولیه ۲۹ گذار مستقیم در گستره ۰٫۲۵۱ تا ۰٫۹۵۵ تراهرتز حاصل شد.
شکل ۶- چیدمان اپتیکی شامل اجزا و مسیر پرتو دمش لیزر آبشار کوانتومی (قرمز) و تابش تراهرتز (آبی) دانشگاه هاروارد
آن‌ها پس از این آزمایش ها، مدل محاسباتی خود را به گونه ای بهبود دادند که مولکول های گازی مختلف مثل مونوکسید کربن و آمونیاک را نیز پوشش دهد و فهرستی از گزینه های مختلف برای تولید امواج تراهرتز با فرکانس های مختلف و در گستره قابل تنظیم را پیش روی پژوهشگران قرار دهد.
دیر زمانی بود که پژوهشگران به لیزرهای گازی به چشم فناوری کهنه و بسیار حجیم، کم توان و غیر قابل تنظیم نگاه می کردند، بنابراین برای امواج تراهرتز به دنبال منابع لیزری دیگر بودند اما این پژوهش نشان داد که لیزرهای گازی هم می توانند کوچک، تنظیم پذیر و پربازده باشند و برای برقراری ارتباطات بی سیم یا تصویربرداری بسیار دقیق در کوله پشتی جا داده شوند.
شکل ۷- تصویر شماتیک از دمش لیزر فروسرخ آبشار کوآنتومی (قرمز) و پرتو تراهرتز (آبی) با مولکول های چرخنده درون کاواک. طیف گسیلی هر یک از گازها نیز در این شکل نشان داده شده است. لیزر آبشار کوانتومی به طور پیوسته قابل تنظیم است و لیزر تراهرتز در خطوط جداگانه و در گستره های متفاوت، بسته به نوع گاز، گسیل دارد.
هزینه های این پژوهش توسط دفتر تحقیقات ارتش امریکا و بنیاد دانش ملی تأمین شده است. شایان یادآوری است پروفسور جانسون و همکارانش در دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و ارتش امریکا، نتایج کار خود را در مجله Science به چاپ رسانده اند.
Sources:
https://news.mit.edu/2019/tunable-terahertz-laser-laughing-gas-1114
https://physicsworld.com/a/laser-combo-opens-up-futuristic-terahertz-technology
[۱] Everit
[۲] Quantum Cascade Laser