طبلی از جنس گرافن: طراحی جدید لیزر فونون
گرافن به دلیل خواص ویژهای مانند جرم کم و فرکانسهای تشدید قابل‌تنظیم، به عنوان یکی از بهترین مواد برای ساخت تشدیدگرهای مکانیکی در نظر گرفته می‌شود. در این مقاله لیزر فونون ناشی از فشار فوتوترمال در یک تشدیدگر گرافن با تعداد لایه کم در دمای اتاق، جایی که تشدیدگر گرافن و بستر سیلیکانی یک کاواک نوری را تشکیل میدهند، مورد بررسی قرار گرفته است. یک آستانه مشخص در دامنه نوسان و عرض باریکه نور، از مدهای ارتعاش مشاهده شد، که روند ایجاد لیزر فونون در تشدیدگر گرافن را تأیید می‌کند.
پروفسور کنستانتین آروتیونوف[1] از انستیتوی الکترونیک و ریاضیات تیخونوف مسکو (MIEM HSE)، به همراه محققان چینی، یک تشدیدگر مکانیکی مبتنی بر گرافن را تولید کردهاند که در آن انتشار همدوس کوانتاهای انرژی صوتی یا همان فونونها القا میشوند. چنین دستگاههایی، با عنوان لیزرهای فونون، پتانسیل گسترده‌ای برای به‌کارگیری در پردازش اطلاعات و همچنین بررسی کلاسیک و کوانتومی مواد دارند. این مقاله در مجله Optics Express منتشر شده است.
مانند فوتونها که کوانتاهای طیف الکترومغناطیسی هستند، ذرات انرژی صوتی نیز، فونون نامیده میشوند. در حقیقت، اینها شبه ذرات در فیزیک هستند، که با ارتعاشات شبکه بلوری ماده مطابقت دارند.
بعضی از مواد، هنگام تابش، فوتونهایی با طول موج، فاز و قطبش یکسان منتشر میکنند. این فرآیند که انتشار القایی نامیده می‌شود، بیش از یک قرن پیش توسط آلبرت انیشتین پیش‌بینی شد و اساس دستگاه‌های لیزری است که همه ما میشناسیم. اولین لیزرها حدود شصت سال پیش ساخته شدند و اکنون در زندگی ما در زمینه‌های مختلف کاملاً تثبیت شده اند.
فرآیندی مشابه، شامل انتشار فونون «یکسان»، اساس کار دستگاهی است که با همان قیاس، لیزر فونون یا SASER نامیده می‌شود. در حقیقت سیزر هم، همزمان با لیزر پیش بینی شده بود، اما تا مدت‌ها تنها چند آزمایش عملی بر روی آن انجام شده بود که هیچ یک از آنها به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار نگرفته بودند.
شکل 1: طرح شماتیک یک تنظیم آزمایشی برای دریافت و ضبط تابش فونون.
در دهه‌های گذشته یونهای منیزیم، نیمههادیها، سیستمهای کامپوزیتی با ریزکاواک‌ها، تشدیدگرهای الکترومکانیکی، نانو ذرات و بسیاری از مواد و سیستمهای دیگر، به عنوان محیط فعال برای لیزرهای فونون، مورد استفاده قرار گرفته است. بر خلاف مطالعات قبلی، در مقاله فعلی از گرافن برای ایجاد تحریکهای صوتی همدوس استفاده شده است. با توجه به خواص منحصربه‌فرد گرافن، میتوان از چنین تشدیدگرهایی به‌طور گسترده استفاده کرد.
تشدیدگر گرافنی این مطالعه توسط میکرولیتوگرافی، تولید شده است: یک فیلم پلیمری حساس به نور بر روی یک بستر سیلیکان رسوب داده می‌شود. با استفاده از نور فرابنفش، ساختار خاصی روی بستر ترسیم میگردد پس از آن اجازه میدهند که یک سیستم تکرار شونده از ریزکاواک‌ها با استفاده از پلاسما ایجاد شود. سپس بستر با یک لایه گرافن پوشانده می‌شود و این سیستم “طبل” مانند، شبیه یک تشدیدگر رفتار می‌کند، یعنی ارتعاشات خارجی که با فرکانس مشخصی تولید میشوند را تقویت می‌کند.
در صورت تابش یک طول موج خاص لیزر به چنین طبلی، فوتونها به طور مکرر بین سیلیکان و گرافن منعکس میشوند، در نتیجه کاواکهای نوری در آنجا ایجاد می‌شود که ارتعاشات مکانیکی با فرکانس مناسب تولید می‌کند.
آروتیونوف میگوید: “به‌طور تجربی، ما یک ساختار نانو را بررسی کردیم، که دارای یک غشا ثابت است که از یک لایه تک اتمیکربن یا یک گرافن ساخته شده است. ارتعاشات اتمها یا همان فونونها، از طریق قرار گرفتن در معرض تابش نوری خارجی در داخل آن ایجاد میشوند.” آروتیونوف اضافه می‌کند: “انتظار میرود که این تحقیق ادامه یابد، زیرا هم از نظر فیزیک در ابعاد فوق العاده کوچک بسیار مورد توجه است و هم امکان ایجاد نسل جدیدی از حس‌گرها و ترانس دیوسرهای اپتومکانیکی کوانتومی را دارد.”
یافتههای این مطالعه در مورد تحریک پدیده‌های آوایی، به ایجاد دستگاه‌های جدید مبتنی بر تشدیدگرهای مکانیکی گرافن کمک می‌کند و ممکن است در آینده کاربردهایی در زمینه‌های سنجش کلاسیک و کوانتوم و همچنین پردازش اطلاعات پیدا کند.
منابع:
https://phys.org/news/2021-06-graphene-phonon-laser.html
مرجع:
https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-11-16241&id=450960
[1] Konstantin Arutyunov