تغییر مواد با مهندسی نوری بدون ایجاد گرما

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، در یک مطالعه جدید در نیچر، هسیه و تیمش، از جمله نویسنده ارشد و دانشجوی فارغ التحصیل جونی شان، موفقیت خود را در استفاده از لیزر برای مجسمه سازی چشمگیر خواص مواد بدون تولید گرمای مضر بیش از حد اعلام کردند.

پنجره‌هایی را تصور کنید که به راحتی می‌توانند به آینه تبدیل شوند. یا رایانه‌هایی با سرعت فوق‌العاده که نه با الکترون بلکه از نور کار می‌کنند. اینها تنها برخی از کاربردهای بالقوه ای هستند که می توانند از مهندسی نوری، یعنی روش استفاده از لیزر برای تغییر سریع و موقت خواص مواد، پدیدار شوند.

دیوید هسیه، پروفسور فیزیک Caltech، می گوید: «این ابزارها می توانند به شما اجازه دهند خواص الکترونیکی مواد را با تکان یک کلید نور تغییر دهید. اما تاکنون فناوری ها به دلیل مشکل ایجاد گرمای بیش از حد لیزر در مواد محدود شده بودند.»

تغییر مواد با مهندسی نوری بدون ایجاد گرما

شان می‌گوید: «لیزرهای مورد نیاز برای این آزمایش‌ها بسیار قدرتمند هستند، بنابراین گرم نشدن و آسیب نرساندن به مواد سخت است. از یک طرف، ما می خواهیم که این ماده در معرض نور لیزر بسیار شدید قرار گیرد. از سوی دیگر، ما اصلاً نمی‌خواهیم که ماده به هیچ وجه نور را جذب کند.»

شان می‌گوید که تیم یک «نقطه شیرین» برای دور زدن این موضوع پیدا کرد، جایی که فرکانس لیزر به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که به طور قابل توجهی خواص مواد را بدون ایجاد گرمای ناخواسته تغییر دهد.

دانشمندان همچنین یک ماده ایده آل برای نشان دادن این روش پیدا کرده اند. این ماده، یک نیمه هادی به نام تری سولفید فسفر منگنز است. که به طور طبیعی تنها مقدار کمی نور را در طیف وسیعی از فرکانس های مادون قرمز جذب می کند. هسیه، شان و همکارانش برای آزمایش‌های خود از پالس‌های لیزر مادون قرمز شدید که هر کدام حدود ۱۰ تا ۱۳ ثانیه طول می‌کشید، استفاده کردند. تا انرژی الکترون‌های درون ماده را به سرعت تغییر دهند. در نتیجه، ماده از حالت بسیار مات به حالت بسیار شفاف برای رنگ های خاصی از نور تغییر می کند.

مهندسی نوری منسجم

به گفته محققان مهم ترین نکته  قابل برگشت بودن این فرآیند است. هنگامی که لیزر خاموش می شود، مواد فوراً بدون آسیب به حالت اولیه خود باز می گردند. اگر مواد نور لیزر را جذب کرده و گرم شده باشند، این کار امکان پذیر نخواهد بود. جرا که زمان زیادی طول می کشد تا مواد گرما را دفع کنند. دستکاری بدون حرارت مورد استفاده در فرآیند جدید به عنوان “مهندسی نوری منسجم” شناخته می شود.

این روش به این دلیل موثر است که نور تفاوت بین سطوح انرژی الکترون ها را در نیمه هادی (به نام شکاف نواری) تغییر می دهد. بدون اینکه خود الکترون ها را به سطوح مختلف انرژی وارد کند، که همان چیزی است که گرما تولید می کند.

هسیه توضیح می‌دهد: «انگار شما یک قایق دارید، و سپس یک موج بزرگ از راه می‌آید. و به شدت قایق را بالا و پایین می‌کند بدون اینکه باعث شود هیچ یک از مسافران به زمین بیفتند.» لیزر ما به شدت سطوح انرژی مواد را تکان می دهد و این باعث تغییر خواص مواد می شود، اما الکترون ها در جای خود باقی می مانند.

مطالعات پیشین

محققان قبلاً نحوه عملکرد این روش را به صورت تئوری توضیح داده اند. به عنوان مثال، در دهه ۱۹۶۰، جان اچ شرلی (PhD ’63)، فارغ التحصیل دانشگاه کالتک، ایده های ریاضی را در مورد چگونگی حل سطوح انرژی الکترون در یک ماده در حضور نور مطرح کرد. بر اساس این کار، تیم Hsieh’s Caltech با نظریه پردازان Mengxing Ye و Leon Balents از UC Santa Barbara برای محاسبه اثرات مورد انتظار نور لیزر در تری سولفید فسفر منگنز همکاری کردند. هسیه می‌گوید این تئوری آزمایش‌ها را با دقت «قابل توجه» مطابقت داد.

هسیه می‌گوید این یافته‌ها به این معنی است که دیگر محققان اکنون می‌توانند به طور بالقوه از نور برای ایجاد مصنوعی موادی مانند آهن‌رباهای کوانتومی عجیب و غریب استفاده کنند که پیش تر ازین ایجاد طبیعی آن دشوار یا حتی غیرممکن بود.

شان می گوید: «در اصل، این روش می تواند خواص نوری، مغناطیسی و بسیاری دیگر از مواد را تغییر دهد. این یک روش جایگزین برای انجام علم مواد است. به جای ساختن مواد جدید برای درک خواص مختلف، می‌توانیم فقط یک ماده مصرف کنیم و در نهایت طیف وسیعی از خواص مفید را به آن بدهیم.»

مرجع: “مدولاسیون غول پیکر غیرخطی نوری توسط مهندسی Floquet” توسط Jun-Yi Shan، M. Ye، H. Chu، Sungmin Lee، Je-Geun Park، L. Balents و D. Hsieh، ۸ دسامبر ۲۰۲۱، nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04051-8