🔘 کریستال‌های زمانی فوتونیک امکان کنترل فوق‌سریع نور در محدوده تراهرتز را فراهم کردند🌌 یک موج الکتر…

🔘 کریستال‌های زمانی فوتونیک امکان کنترل فوق‌سریع نور در محدوده تراهرتز را فراهم کردند🌌 یک موج الکترومغناطیسی تراهرتز، مدولاسیون‌های زمانیِ قوی و سریعی ایجاد می‌کند که یک «کریستال زمانی فوتونیک» را شکل می‌دهد: یک شبکه کریستالی در بعد زمان برای فوتون‌ها. (اعتبار تصویر: B. Schröder/HZDR)¹★ یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران «مدرسه پلی‌تکنیک» (École Polytechnique)، «کلژ دو فرانس» (Collège de France) و «مرکز هلم‌هولتز درزدن-روسندورف» (HZDR) به یک پیشرفت بی‌سابقه در جهان دست یافته‌اند: تحقق تجربی یک «کریستال زمانی فوتونیک» (PTC) کاملاً نوری؛ مادهای که ویژگی‌های نوری آن را می‌توان در مقیاس‌های زمانی فوق‌سریع به شدت و به صورت دوره‌ای مدوله کرد.²★ این کشف که در نشریه Nature منتشر شده است، از منبع تراهرتز ابرتابشی TELBE در مرکز HZDR برای ورود سیستم به رژیم جدیدی از برهم‌کنش نور و ماده در محدوده تراهرتز استفاده می‌کند. این دستاورد راه را برای محاسبات نوری فوق‌سریع، سیستم‌های مخابراتی جدید و در نهایت نسل تازه‌ای از لیزرهای تراهرتز هموار می‌سازد.³★ شکل‌دهی به ویژگی‌های نور هنگام برهم‌کنش با مواد، پایه و اساس بسیاری از کشفیات و پیشرفت‌های تکنولوژیک است؛ از فیبرهای نوری در مخابرات گرفته تا لیزرها به عنوان منابع نور و حسگرها در شیمی و زیست‌شناسی.⁴★ دانشمندان در مدرسه پلی‌تکنیک در حال پایه‌ریزی فناوری جدیدی هستند که هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است. یانیس لاپلاس (Yannis Laplace)، استادیار مدرسه پلی‌تکنیک و تیمش در آزمایشگاه جامدات تحت تابش (LSI)، در حال توسعه افزونه‌های فوتونیک جدیدی برای کنترل نور در محدوده فرکانسی تراهرتز (THz) هستند.⁵★ پژوهش‌ها در این باند فرکانسی—که ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از فرکانس مورد استفاده در قطعات الکترونیکی است—به سرعت در حال پیشرفت بوده و می‌تواند درک جدیدی برای مشاهده و دستکاری ماده ایجاد کند.⁶★ لاپلاس توضیح می‌دهد: «محدوده تراهرتز مرز میان فناوری‌های الکترونیکی و فوتونیک است. این محدوده پر از فرصت‌های علمی و کاربردی برای جامعه است، اما از نظر فناوری در مقایسه با همتایان الکتریکی و نوری خود هنوز کم‌تر توسعه یافته است. ساخت کریستال‌های فوتونیک می‌تواند راه را برای پر کردن این شکاف باز کند.»✨ پیشرفت بزرگ: از کنترل مکانی تا کنترل زمانی⁷★ کریستال‌های فوتونیک موادی نانوساختار با الگوی نوری دوره‌ای (مانند یک شبکه کریستالی) هستند که شارش فوتون‌ها را کنترل می‌کنند. این مواد با تنظیم هوشمندانه ضریب شکست و شکل مواد مختلف، می‌توانند طول‌موجهای خاصی را مسدود، هدایت یا تقویت کنند؛ شبیه به نحوه کنترل الکترون‌ها در نیمه‌رساناها.⁸★ در مطالعات قبلی، این تیم پژوهشی نشان داده بود که چگونه تغییر دما یا میدان‌های مغناطیسی می‌تواند ویژگی‌های به دام انداختن نور در کریستال‌های فوتونیک را تغییر دهد، اما تا به امروز، کنترل آن‌ها در بعد زمان «ایستا» (استاتیک) بود.⁹★ این پژوهش جدید، اولین «کریستال‌های زمانی فوتونیک» را معرفی می‌کند که در آن‌ها ویژگی‌های نوری ماده (مانند بازتابندگی و فرکانس رزونانس) به صورت پویا در مقیاس‌های زمانی پیکوثانیه‌ای—که قابل مقایسه با دوره نوسان خودِ نور است—مدوله می‌شوند.¹⁰★ تینگ‌ون گو (Tingwen Guo)، دانشجوی دکتری مدرسه پلی‌تکنیک و نویسنده اصلی مقاله، توضیح می‌دهد: «با بسط دادن کریستال‌های فوتونیک از مکان به زمان، بعد جدیدی برای کنترل نور و مسیری نوین به سوی تقویت و لیزردهی باز می‌کنیم. این موضوع می‌تواند بازی را برای فناوری‌های نوری در فرکانس‌های تراهرتز و فراتر از آن تغییر دهد.»✨ غلبه بر چالش فنی دشوار¹¹★ برای دستیابی به توانایی تغییر ویژگی‌های فوتون‌ها در طول زمان، دانشمندان مجبور شدند یک دستگاه پیچیده و منحصربه‌فرد بسازند. آن‌ها با کمک «آزمایشگاه آلبرت فرت» شرکت تالس و آزمایشگاه «فیزیک سطوح مشترک» (PICM) در پلی‌تکنیک، نوع خاصی از کریستال فوتونیک به نام «متاماده پلاسمونیک» ساختند.¹²★ این ساختار از سازه‌های کنگره‌ای طلا در مقیاس میکرومتر تشکیل شده که زیر آن‌ها یک لایه عایق و در نهایت یک ماده نیمه‌رسانا از ترکیب ایندیوم و آنتیموان قرار دارد. این کنگره‌ها به عنوان کاواک‌هایی عمل می‌کنند که فوتون‌ها را بین لایه طلا و لایه نیمه‌رسانا به دام می‌اندازند. برانگیختگی سطح نیمه‌رسانا منجر به ایجاد «پلاسمون‌های سطحی» می‌شود؛ حالتی که در آن الکترون‌ها مانند نوعی موج دسته‌جمعی رفتار کرده و قادر به شکار نور و حفظ نوسانات آن هستند.