نور کوانتومی، انقلابی در فیلترها: زاویه دید دیگه مهم نیست!

دستاورد نوینی در فناوری نور با بهره‌گیری از دنیای کوانتوم

تیمی از پژوهشگران از دانشگاه کلن، دانشگاه هاسلت (بلژیک) و دانشگاه سنت اندروز (اسکاتلند) موفق شده‌اند با به‌کارگیری اصول مکانیک کوانتومی و به‌ویژه پدیده‌ی درهم‌تنیدگیِ قدرتمند نور و ماده، یک فناوری نوری انقلابی را توسعه دهند که به چالشی دیرینه در سیستم‌های نوری، یعنی مشکل وابستگی زاویه‌ای، پاسخ می‌دهد. این پژوهش که نتایج آن در نشریه‌ی “Nature Communications” با عنوان «شکستن محدودیت پراکندگی زاویه‌ای در اپتیکِ لایه‌های نازک با درهم‌تنیدگی فوف‌العاده‌ی نور و ماده» منتشر شده، فیلترهای تازه‌ای را معرفی می‌کند که از جنس پلاریتون‌های ساخته‌شده از لایه‌ی‌ نازک هستند و می‌تواند دریچه‌هایی نو به سوی پیشرفت در فوتونیک، فناوری حسگرها، تصویربرداری نوری و فناوری‌های نمایشگر بگشاید.

این تحقیقات در دانشگاه کلن و تحت هدایت پروفسور دکتر مالته گاتر، که مدیر مرکز هومبولت برای نانو و بیوفوتونیک در دانشکده‌ی شیمی و بیوشیمی و همچنین دانشکده‌ی ریاضیات و علوم طبیعی است، به انجام رسیده است.

اهمیت بی‌بدیل فیلترهای نوری

فیلترهای نوری برای طیف گسترده‌ای از کاربردها حیاتی و ضروری هستند. با این حال، عملکرد ایده‌آل آن‌ها زمانی که نور با زوایای گوناگون به سطح‌شان برخورد می‌کند، دچار افت قابل توجهی می‌شود. این پدیده باعث می‌شود رنگ نوری که از فیلتر عبور می‌کند، بسته به زاویه‌ی دید تغییر کند. این کاهش کارایی، ریشه در اصول بنیادین فیزیکی دارد و می‌تواند تأثیرات چشمگیری بر دقت حسگرهای نوری بگذارد.

راهکاری بدیع و نوآورانه

راهکاری که این تیم بین‌المللی ارائه کرده است، مبتنی بر یکی از اصول اساسی مکانیک کوانتومی است: زمانی که ذرات نور با حالت‌های انرژی یک ماده ارگانیک به شدت درگیر و درهم‌تنیده می‌شوند، پدیده‌ای به نام پلاریتون‌ها شکل می‌گیرد.

فیلترهای لایه‌ی نازک مرسوم از قرار گرفتن لایه‌های شفاف متناوب در کنار هم تشکیل شده‌اند که معمولاً از جنس اکسیدهای فلزی هستند. نور از این لایه‌ها به صورت جزئی، یا منعکس می‌شود و یا از آن عبور می‌کند. ضخامت این لایه‌ها، رنگ نور عبوری را از طریق تداخل سازنده و مخرب امواج نوری تعیین می‌کند، درست مانند رنگ‌های درخشان و متغیر حباب‌های صابون. ویژگی‌های انتقال و بازتاب این فیلترها را می‌توان با کنترل و تنظیم دقیق تعداد زیادی از این لایه‌های نازک، به شکل دلخواه درآورد. با این حال، این اصول فیزیکی، فیلترها را در برابر آنچه که به عنوان پراکندگی زاویه‌ای شناخته می‌شود، آسیب‌پذیر می‌کند؛ یعنی تغییر در خصوصیات طیفی به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر (شیفت آبی) وقتی که فیلتر از حالت عمود خارج می‌شود و زاویه‌اش تغییر می‌کند.

رویکرد نوین دانشمندان در طراحی فیلترهای نوری

در رویکرد جدید این دانشمندان، رنگدانه‌های آلی با قدرت جذب بالا در فیلترهای نوری ادغام شده‌اند که این امر منجر به اتصال قوی نورِ در حال گذر با این رنگدانه‌ها می‌شود. دکتر آندریاس میشوک از دانشگاه کلن که نویسنده‌ی اول این پژوهش است، می‌گوید: “به‌طور معمول، شما می‌خواهید از هر نوع جذبی در فیلترهای طیفی اجتناب کنید تا کیفیت نوری آن‌ها تحت تأثیر قرار نگیرد. اما ما به‌طور خاص از جذب قوی نور در مواد آلی برای تولید حالت‌های پلاریتون با پایداری زاویه‌ای بسیار عالی و ویژگی‌های انتقالی بی‌نظیر استفاده می‌کنیم.”

این تیم موفق به توسعه‌ی فیلترهایی با پایداری زاویه‌ای استثنایی شد که حتی در زوایای دید شدید، یعنی بالای 80 درجه، تغییر طیفی‌ای کمتر از 15 نانومتر را نشان دادند. این طراحی‌های چندلایه‌ی پیچیده همچنین نشان دادند که حداکثر میزان انتقال نور در آن‌ها به 98 درصد می‌رسد که معادل بهترین فیلترهای معمولی موجود است.

ادغام فیلترهای پلاریتون در دیودهای نوری

در یک پروژه‌ی تحقیقاتی مشترک با گروه پروفسور دکتر کن واندوال از دانشگاه هاسلت، دانشمندان فیلترهای پلاریتون را در دیودهای نوری آلی ادغام کردند تا آشکارسازهای با پهنای باند باریک ایجاد کنند و بدین ترتیب راه را برای پیشرفت در تصویربرداری‌های فوق طیفی، مانند شناسایی مواد و ساخت حسگرهای نوری فشرده هموار سازند.

این تحقیق، امکان به کارگیری این فناوری را در پلیمرها، پروسکایت‌ها، نقاط کوانتومی و سایر مواد نشان می‌دهد و به این ترتیب اصل جدید فیلترها را به یک بازه‌ی وسیع‌تر از طول موج‌ها منتقل می‌کند. زمینه‌های احتمالی برای کاربرد فیلترهای پلاریتون شامل میکرو-اپتیک، نمایشگرها، فناوری‌های حسگری و بیوفوتونیک است. در تمامی این حوزه‌ها، عدم وابستگی زاویه‌ای فیلترهای جدید می‌تواند طراحی سیستم‌های نوری را به طرز چشمگیری ساده‌تر کند و قابلیت‌های آن‌ها را گسترش دهد.

تغییرات اساسی در طراحی فیلترهای نوری

پروفسور مالته گاتر که رهبری این تحقیقات را در دانشگاه کلن بر عهده دارد، می‌گوید: “این یک تغییر انقلابی در نحوه‌ی طراحی فیلترهای نوری است. با پرداختن به مشکل پراکندگی زاویه‌ای با یک رویکرد کاملاً جدید و بنیادی، ما امکانات کاملاً جدیدی را برای سیستم‌های نوری باز می‌کنیم.“

تیم تحقیقاتی، فیلترهای پلاریتون را به‌عنوان سنگ بنای نسل بعدی اجزای نوری با ظرفیت علمی و اقتصادی عظیم می‌داند. علاوه بر ادغام این فیلترها در حسگرهایی مانند LiDAR (تشخیص و اندازه‌گیری نور) و میکروسکوپ فلورسانس، کارهای آتی بر روی کاربردهای این فیلترها در فناوری نمایشگر متمرکز خواهد بود.