يمكن للمحول الضوئي الناعم أن يحرك المنطق البصري بالكامل

تتمتع الأجهزة الضوئية، التي تعتمد على الضوء بدلاً من الكهرباء، بالقدرة على أن تكون أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الأجهزة الإلكترونية الحالية. كما أنها توفر فرصة فريدة لتطوير أجهزة تستخدم مواد لينة، مثل البوليمرات والمواد الهلامية، وهي موصلات رديئة للكهرباء، ولكنها أسهل في التصنيع وأكثر صداقة للبيئة. ومع ذلك، فإن تطوير هذه الضوئيات المرنة والإسفنجية، يتطلب القدرة على التعامل مع الضوء باستخدام الضوء فقط، وليس الكهرباء.

في المادة الناعمة، يتم ذلك بشكل أساسي عن طريق تغيير الخصائص الفيزيائية للمواد البصرية أو باستخدام نبضات ضوئية مكثفة لتغيير اتجاه الضوء. الآن، قام فريق دولي من العلماء بتطوير طريقة جديدة للتحكم في الضوء بالضوء باستخدام شدة ضوء منخفضة جدًا ودون تغيير أي من الخصائص الفيزيائية للمواد.

إيجور موسيفيتش، يقول أستاذ الفيزياء في جامعة ليوبليانا الذي قاد المشروع، إنه خطرت له فكرة الجهاز لأول مرة أثناء وجوده في مؤتمر في سان فرانسيسكو، حيث كان يستمع إلى حديث ستيفان دبليو هيل حول الفحص المجهري لاستنفاد الانبعاثات المحفزة (STED). تستخدم تقنية التصوير، التي فاز هيل بجائزة نوبل في الكيمياء عام 2014 عنها، ليزرين لإنتاج شعاع ضوئي صغير للغاية لمسح الأشياء. “عندما رأيت هذا، قلت، هذا هو التلاعب بالضوء بالضوء، أليس كذلك؟” يتذكر موسيفيتش.

وقد ألهم تحقيقه جهازًا يتم فيه إطلاق نبضة ليزر. ويعتمد خروج هذا الشعاع من الجهاز أم لا على ما إذا كان سيتم إطلاق نبضة ثانية في أقل من نانو ثانية بعد ذلك أم لا.

يتكون الجهاز من حبة كروية الشكل من الكريستال السائل، تحافظ على شكلها من خلال خصائص المادة المرنة والقوى بين جزيئاتها، مشبعة بصبغة الفلورسنت ومحاصرة بين أربعة هياكل بوليمرية مخروطية الشكل تستقيم لتوجيه الضوء داخل وخارج الجهاز. عندما يتم إرسال نبضة ليزر عبر أحد موجهات الموجات البوليمرية الأربعة، ينتقل الضوء بسرعة إلى البلورة السائلة، مما يؤدي إلى إثارة صبغة الفلورسنت. في عملية تُعرف باسم رنين وضع المعرض الهامس، تنعكس الفوتونات الموجودة داخل البلورة السائلة مرة أخرى إلى الداخل في كل مرة تصطدم فيها بالسطح الكروي للسائل. والنتيجة هي أن الضوء يدور داخل التجويف حتى ينعكس في النهاية على أحد موجهات الموجات، والتي تبعث بعد ذلك الفوتونات في شعاع ليزر.

أدرك الفريق أن إرسال نبضة ليزر ثانية بلون مختلف إلى أدلة الموجات قبل أن تبدأ البلورة السائلة في إصدار الضوء من نبضة الليزر الأولى أدى إلى انبعاث محفز لجزيئات الصبغة المثارة. تتفاعل الفوتونات الصادرة من نبضة الليزر الثانية، والتي كان لا بد من إطلاقها في أدلة الموجات بعد نبضة الليزر الأولى، مع جزيئات الصبغة المثارة بالفعل. يؤدي التفاعل إلى إصدار الصبغة لفوتونات مماثلة لتلك الموجودة في النبضة الثانية مع استنفاد الطاقة من النبضة الأولى. يتم تضخيم شعاع الليزر الثاني، الذي يسمى شعاع STED، من خلال هذه العملية، في حين أن الضوء من النبضة الأولى يتضاءل لدرجة أنه لا ينبعث على الإطلاق. ولأنه يمكن التحكم في نتيجة نبضة الليزر الأولى باستخدام نبضة الليزر الثانية، فقد نجح الفريق في إثبات التحكم في الضوء عن طريق الضوء.

فاندنا شارما، جاكا زابلوتنيك، وآخرون.

وفقًا لفريق ليوبليانا، فإن كفاءة الطاقة في نهج البلورات السائلة أفضل بكثير من تقنيات المادة الناعمة السابقة، والتي كانت تتضمن عادةً استخدام مجالات الضوء المكثفة لتغيير خصائص المواد للمادة الناعمة، مثل معامل الانكسار. تقلل الطريقة الجديدة الطاقة اللازمة بأكثر من مائة عامل. نظرًا لأن نبضة ليزر STED تدور بشكل متكرر في البلورة، يمكن لفوتون واحد أن يستنفد العديد من جزيئات الصبغة من الطاقة من نبضة الليزر الأولى.

ويوضح ميها رافنيك، عالم الفيزياء النظرية أيضًا في جامعة ليوبليانا والذي عمل في المشروع، أن التحكم في الضوء عن طريق الضوء أمر ضروري في البوابات المنطقية الضوئية للمادة الناعمة. “يمكنك التحكم كثيرًا في الوقت المناسب [light] يقول رافنيك عن الضوء المسلط على أدلة الموجات البوليمرية: “يتم توليده وفي أي اتجاه. وهذا يمنحك إذن هذه القدرة على إنشاء عمليات منطقية باستخدام الضوء”.

وبصرف النظر عن إمكاناتها في الدوائر المنطقية الضوئية، فإن النهج الذي اتبعه الفريق يقدم العديد من المزايا التقنية مقارنة بالضوئيات المصنوعة من السيليكون أو المواد الصلبة الأخرى، كما يقول موسيفيتش. على سبيل المثال، يؤدي استخدام المادة الناعمة إلى تبسيط عملية التصنيع إلى حد كبير. ويمكن إدخال البلورة السائلة في جهاز الفريق في أقل من ثانية، لكن تصنيع هيكل مماثل بمواد صلبة أمر صعب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع الأجهزة ذات المادة اللينة في درجات حرارة أقل بكثير من السيليكون والمواد الصلبة الأخرى. ويشير Muševič أيضًا إلى أن المادة الناعمة تمثل فرصة لتجربة هندسة الجهاز. يقول موسيفيتش: «باستخدام البلورات السائلة، يمكنك صنع العديد من أنواع التجاويف المختلفة». “أود أن أقول إن لديك الكثير من المساحة الهندسية.”

إن رافنيك متحمس لإمكانيات الإنجاز الذي حققه الفريق، لا سيما كخطوة نحو الحوسبة الضوئية وحتى الشبكات العصبية الضوئية. لكنه يدرك أن هذه التطورات ما زالت بعيدة المنال. ويعترف قائلاً: “لا يمكن لهذه التكنولوجيا أن تتنافس مع تطبيقات الشبكات العصبية الحالية على الإطلاق”. ومع ذلك، فإن الاحتمالات محيرة. “من المتوقع أن يكون فقدان الطاقة منخفضًا للغاية، وسرعات الحساب عالية للغاية.”