کریستال‌های فضازمان: راهی به سوی مواد نوری نوین

کریستال‌های فضایی-زمانی فوتونیک: انقلابی در ارتباطات بی‌سیم

کریستال‌های فضایی-زمانی فوتونیک موادی هستند که می‌توانند عملکرد و کارایی ارتباطات بی‌سیم یا فناوری‌های لیزری را افزایش دهند. این مواد دارای آرایش دوره‌ای از مواد خاص در سه بعد و همچنین در زمان هستند که امکان کنترل دقیق خواص نور را فراهم می‌کند.

دانشمندان مؤسسه فناوری کارلسروهه (KIT) در همکاری با شرکای خود از دانشگاه آلتو، دانشگاه شرق فنلاند و دانشگاه مهندسی هاربین در چین نشان داده‌اند که چگونه می‌توان از این مواد چهار بعدی در کاربردهای عملی استفاده کرد. نتایج این تحقیق در نشریه Nature Photonics منتشر شده است.

کریستال‌های زمانی فوتونیک

کریستال‌های زمانی فوتونیک شامل موادی با ترکیب یکنواخت در فضا هستند، اما خواص آن‌ها به‌طور دوره‌ای در طول زمان تغییر می‌کند. این تغییرات دوره‌ای موجب می‌شود ترکیب طیفی نور به‌طور دلخواه مدوله و تقویت گردد که این ویژگی‌ها برای پردازش اطلاعات نوری بسیار حائز اهمیت است.

پروفسور کارستن راکشتول از مؤسسه فیزیک حالت جامد نظری و مؤسسه نانوتکنولوژی KIT گفت: “این به ما آزادی‌های جدیدی می‌دهد، اما همچنین چالش‌های زیادی را به همراه دارد.” او افزود: “این مطالعه راه را برای استفاده از این مواد در سیستم‌های پردازش اطلاعات هموار می‌کند که قادر به استفاده و تقویت نور با هر فرکانسی هستند.”

یک قدم نزدیک‌تر به کریستال‌های فوتونیک چهار بعدی

پارامتر کلیدی یک کریستال زمانی فوتونیک، شکاف باند آن در فضای تکانه است. تکانه معیاری از جهتی است که نور در آن انتشار می‌یابد. شکاف باند مشخص می‌کند که نور باید در چه جهتی منتشر شود تا تقویت گردد؛ به‌طور کلی، هرچه شکاف باند وسیع‌تر باشد، تقویت بیشتری حاصل می‌شود.

تحولی در مواد فوتونیک: کشف جدیدی در تقویت نور

پونیت گارگ، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، توضیح داد: “قبلاً مجبور بودیم تغییرات دوره‌ای در خواص مواد مانند ضریب شکست را تشدید کنیم تا به یک نوار انرژی وسیع دست یابیم. تنها در این صورت می‌توان نور را تقویت کرد.” او افزود: “از آنجایی که گزینه‌های موجود برای انجام این کار برای اکثر مواد محدود است، این موضوع یک چالش بزرگ به شمار می‌آید.”

راه‌حل محققان شامل ترکیب بلورهای زمانی فوتونیک با یک ساختار فضایی اضافی بود. آنها بلورهای فضایی-زمانی فوتونیک را با ادغام بلورهای زمانی فوتونیک ساخته شده از کره‌های سیلیکونی ایجاد کردند که نور را محبوس کرده و مدت زمان بیشتری نگه می‌دارند. نور سپس به تغییرات دوره‌ای در خواص مواد واکنش بهتری نشان می‌دهد.

زوشن وانگ، نویسنده اصلی دیگر، گفت: “ما در مورد رزونانس‌هایی صحبت می‌کنیم که تعاملات بین نور و ماده را تشدید می‌کنند. در چنین سیستم‌های بهینه‌سازی‌شده، نوار انرژی تقریباً در تمام فضای مومنتوم گسترش می‌یابد، به این معنی که نور می‌تواند بدون توجه به جهت انتشارش تقویت شود. این می‌تواند گام حیاتی در مسیر استفاده عملی از این مواد نوری نوین باشد.”

راکشتول افزود: “ما از این پیشرفت در مواد فوتونیک بسیار هیجان‌زده هستیم و منتظر دیدن تأثیرات بلندمدت تحقیقات خود هستیم. اکنون پتانسیل عظیم تحقیقات مواد نوری مدرن می‌تواند به واقعیت بپیوندد.” او همچنین اشاره کرد: “این ایده محدود به اپتیک و فوتونیک نیست؛ بلکه می‌تواند به سیستم‌های فیزیکی مختلف اعمال شود و پتانسیل الهام‌بخشی برای تحقیقات جدید در زمینه‌های دیگر را دارد.”

این پروژه تحقیقاتی در “مرکز تحقیقات مشترک پدیده‌های موج: تحلیل و عددی” که توسط بنیاد تحقیقات آلمان (DFG) تأمین مالی شده است، انجام شده و در زمینه تحقیقات اطلاعاتی انجمن هلمولتز قرار دارد.