پنجره‌هایی را تصور کنید که به‌راحتی می‌توانند به آینه تبدیل شوند، یا رایانه‌هایی با سرعت فوق‌العاده که نه با الکترون و انرژی برق، بلکه با فوتون‌های نور کار می‌کنند. این موارد تنها برخی از کاربردهای بالقوه‌ای از مهندسی نوری است که می‌توان برای تجهیزات مدرن متصور شد.
پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به گزارش خبرگزاری علم و فناوری، پنجره‌هایی را تصور کنید که به‌راحتی می‌توانند به آینه تبدیل شوند. یا رایانه‌هایی با سرعت فوق‌العاده که نه با الکترون و انرژی برق، بلکه با فوتون‌های نور کار می‌کنند. این موارد تنها برخی از کاربردهای بالقوه‌ای از مهندسی نوری (روش استفاده از لیزر برای تغییر سریع و موقت خواص مواد) است. که می‌توان برای تجهیزات مدرن متصور شد.
تغییر خواص الکترونیکی مواد
دیوید هسیه، پروفسور فیزیک مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) و سرپرست تیم تحقیقاتی این پروژه درباره این تکنولوژی گفت:
این ابزارها می‌توانند به شما این امکان را بدهند تا خواص الکترونیکی مواد را با یک حرکت کلید نور تغییر دهید. اما فناوری‌ها به دلیل ایجاد گرمای بیش از حد لیزر در مواد، محدود شده و این موضوع چالش بزرگ ما است.
جونی شان از دیگر پژوهشگران این تحقیقات تاکید کرد:
لیزرهای موردنیاز برای این آزمایش‌ها بسیار قدرتمند هستند. بنابراین گرم نشدن و آسیب نرساندن به مواد سخت است. ازیک‌طرف، ما می‌خواهیم که این ماده در معرض نور لیزر بسیار قوی قرار گیرد. از سوی دیگر، ما اصلاً نمی‌خواهیم که ماده هیچ یک از آن نور را جذب کند.
در حقیقت دانشمندان توانستند یک نقطه شیرین یا (sweet spot) برای دورزدن این موضوع پیدا کردند. جایی که فرکانس لیزر به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود. تا به طور قابل‌توجهی خواص مواد را بدون ایجاد گرمای ناخواسته تغییر دهد.
تری سولفید فسفر منگنز
پژوهشگران همچنین یک ماده ایده‌آل برای نشان‌دادن این روش پیدا کرده‌اند. این ماده، نیمه‌هادی به نام تری سولفید فسفر منگنز، به طور طبیعی تنها مقدار کمی نور را در طیف وسیعی از فرکانس‌های مادون‌قرمز جذب می‌کند. آن‌ها آزمایش‌های خود از پالس‌های لیزر مادون‌قرمز شدید که هرکدام حدود ۱۰ تا ۱۳ ثانیه طول می‌کشید. استفاده کردند تا انرژی الکترون‌های درون ماده را به‌سرعت تغییر دهند. در نتیجه، ماده از حالت بسیار مات به حالت بسیار شفاف برای رنگ‌های خاصی از نور تغییر می‌کند.
مهندسی نوری منسجم
همچنین دانشمندان دریافتند که این فرایند قابل برگشت است. هنگامی که لیزر خاموش می‌شود. مواد فوراً بدون آسیب به حالت اولیه خود بازمی‌گردند. اگر مواد نور لیزر را جذب کرده و گرم شده باشند. این امکان‌پذیر نخواهد بود زیرا زمان زیادی طول می‌کشد تا مواد گرما را دفع کنند. تغییر مهندسی شده بدون حرارت مورد استفاده در فرایند جدید به‌عنوان “مهندسی نوری منسجم” شناخته می‌شود.
پژوهشگران تأکید کردند که این روش موفقیت‌آمیز است. زیرا نور تفاوت بین سطوح انرژی الکترون‌ها (شکاف نواری) را بدون اینکه خود الکترون‌ها را به سطوح مختلف انرژی وارد کند. در نیمه‌هادی‌ها تغییر داده و مانع تولید گرمای بیش از حد استاندارد مقرر خواهد شد.
پروفسور هسیه در این مورد توضیح داد:
انگار شما یک قایق دارید و سپس یک موج بزرگ از راه می‌آید و به‌شدت قایق را بالا و پایین می‌کند. بدون اینکه باعث شود هیچ یک از مسافران به زمین بیفتند. لیزر ما به‌شدت سطوح انرژی مواد را تکان می‌دهد. و این باعث تغییر خواص مواد می‌شود. اما الکترون‌ها در جای خود باقی می‌مانند.
محققان پیش‌تر نحوه عملکرد این روش را تئوری کرده‌اند. به‌عنوان‌مثال، در دهه ۱۹۶۰، جان شرلی، ایده‌های ریاضی را در مورد چگونگی حل سطوح انرژی الکترون در یک ماده در حضور نور مطرح کرد. بر اساس این تئوری، تیم پژوهشی مؤسسه فناوری کالیفرنیا برای محاسبه اثرات مورد انتظار نور لیزر در تری سولفید فسفر منگنز از یافته‌های گذشته دانشمندان بهره بردند. آن‌ها اعلام کردند که این آزمایش‌ها، تئوری‌های مطرح شده را بادقت قابل‌توجهی اثبات کرد.
استفاده از نور برای ایجاد خواص مصنوعی مواد
این یافته‌ها به این معنی است که اکنون دیگر دانشمندان می‌توانند به طور بالقوه از نور برای ایجاد خواص مصنوعی موادی مانند آهن‌رباهای کوانتومی بسیار پیشرفته استفاده کنند. که در غیر این صورت ایجاد طبیعی آن دشوار یا حتی غیرممکن بوده است.
در آخر باید ذکر کرد که این روش می‌تواند خواص نوری، مغناطیسی و بسیاری دیگر از مواد را تغییر دهد. این یک روش جایگزین برای انجام مطالعات جدید علم مواد است. به‌جای ساختن مواد جدید برای درک خواص مختلف، می‌توانیم فقط یک ماده را برداریم و در نهایت طیف وسیعی از خواص مفید را در آن ایجاد کنیم.
جزئیات بیشتر این پروژه تحقیقاتی به‌تازگی در مجله Nature به چاپ رسیده است.