کریستالی که قوانین نور را به چالش کشید

پژوهشگران موفق به شناسایی ویژگی‌های نوری خارق‌العاده‌ای در یک کریستال لایه‌ای به نام اکسی‌کلرید مولیبدن (MoOCl₂) شده‌اند. ماده‌ای که می‌تواند مسیر توسعه نسل جدید فناوری‌های نوری فوق‌فشرده از جمله لنز‌های تماسی هوشمند، عینک‌های واقعیت افزوده بسیار باریک و تراشه‌های فوتونیکی پیشرفته را هموار کند.

به گزارش ساینس دیلی، این پژوهش که توسط محققان شرکت XPANCEO با همکاری دانشمندانی از دانشگاه ملی سنگاپور و دانشگاه شیمی و فناوری پراگ انجام شده در نشریه علمی Nano Letters منتشر شده است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که MoOCl₂ قوی‌ترین اثر خم‌کنندگی نور را در میان تمامی مواد طبیعی شناخته‌شده از خود نشان می‌دهد.

کریستالی که همزمان مانند فلز و شیشه رفتار می‌کند

محققان برای نخستین بار نقشه کاملی از خواص نوری این ماده تهیه کردند و دریافتند که رفتار آن به‌شدت به جهت تابش نور وابسته است. این کریستال در یک راستا نور را همانند یک فلز بازتاب می‌دهد، اما با چرخش ۹۰ درجه‌ای به ماده‌ای شفاف شبیه شیشه تبدیل می‌شود.

دانشمندان این ویژگی را ناهمسانگردی نوری شدید (Extreme Optical Anisotropy) می‌نامند؛ پدیده‌ای که در آن پاسخ ماده به نور در جهات مختلف به‌طور چشمگیری متفاوت است. مقدار دوشکستی (Birefringence) این کریستال حدود ۲.۲ اندازه‌گیری شده که رقمی بسیار بالا محسوب می‌شود و به آن امکان می‌دهد نور را با کارایی فوق‌العاده‌ای تفکیک، هدایت و بازآرایی کند.

این قابلیت می‌تواند در آینده جایگزین بسیاری از قطعات اپتیکی حجیم امروزی شود و عملکرد‌هایی که اکنون به اجزای بزرگ نیاز دارند در لایه‌هایی هزاران برابر نازک‌تر از ضخامت موی انسان انجام شوند.

توانایی نادر در کند کردن نور

یکی دیگر از یافته‌های مهم این پژوهش کشف نقطه‌ای موسوم به اپسیلون نزدیک به صفر (ENZ) در طول موج ۵۱۲ نانومتر یعنی در محدوده نور سبز مرئی است.

در این طول موج خاص بخشی از پاسخ الکترومغناطیسی ماده تقریبا به صفر می‌رسد. در نتیجه سرعت انتشار نور درون کریستال به‌طور موثری کاهش یافته و میدان الکتریکی داخلی آن به‌شدت تقویت می‌شود.

این پدیده باعث افزایش چشمگیر برهم‌کنش نور و ماده می‌شود ویژگی‌ای که برای تراشه‌های فوتونیکی نسل آینده اهمیت فراوانی دارد. چنین تراشه‌هایی به جای جریان الکتریکی از نور برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند و می‌توانند سرعت پردازش بالاتر و مصرف انرژی کمتری داشته باشند.

چرا این ماده توجه فیزیک‌دانان را جلب کرده است؟

MoOCl₂ سال‌هاست که به دلیل ساختار الکترونیکی غیرمعمول خود مورد توجه دانشمندان قرار دارد. این ماده در دسته‌ای موسوم به فلز بد (Bad Metal) قرار می‌گیرد و ساختار آن شامل زنجیره‌های یک‌بعدی از اتم‌های مولیبدن است.

این زنجیره‌ها باعث می‌شوند الکترون‌ها در یک جهت آسان‌تر از جهت دیگر حرکت کنند. در نتیجه کریستال در یک محور رفتاری فلزی و در محور عمود بر آن رفتاری مشابه مواد دی‌الکتریک یا عایق از خود نشان می‌دهد. همین ویژگی منبع اصلی ناهمسانگردی بسیار شدید این ماده است.

مطالعات پیشین که در نشریات Science و Nature Communications منتشر شده بودند نشان داده بودند که این کریستال قادر است امواج نوری بسیار فشرده‌ای موسوم به پلاسمون پولاریتون‌های هذلولوی را پشتیبانی کند امواجی که می‌توانند نور را در مسیر‌هایی بسیار جهت‌دار و غیرمعمول هدایت کنند.

با این حال تا پیش از این پژوهش اندازه‌گیری مستقیمی از ثابت‌های بنیادی نوری مسئول این رفتار‌ها در دسترس نبود و همین موضوع طراحی کاربرد‌های عملی را دشوار می‌کرد.

مزیتی کم‌نظیر در محدوده نور مرئی

اندازه‌گیری‌های جدید نشان داد که نقطه ENZ این ماده در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیسی قرار دارد مزیتی که در بسیاری از مواد مشابه مشاهده نمی‌شود. اغلب مواد تنها در نواحی فرابنفش عمیق یا فروسرخ میانی به چنین شرایطی می‌رسند.

قرار گرفتن این ویژگی در طول موج ۵۱۲ نانومتر اهمیت زیادی دارد زیرا بسیاری از تجهیزات اپتیکی موجود از جمله لیزرها، میکروسکوپ‌ها، دوربین‌ها و حسگر‌های نوری در همین محدوده فعالیت می‌کنند.

والنتین ولکوف، بنیان‌گذار و مدیر فناوری XPANCEO و نویسنده مسئول این مطالعه می‌گوید: مشاهده یک پدیده تنها نخستین گام است اما برای مهندسی کاربرد‌های واقعی به داده‌های دقیق نیاز داریم. اندازه‌گیری کامل تانسور دی‌الکتریک MoOCl₂ پایه تجربی لازم را برای درک رفتار این ماده و طراحی سامانه‌های جدید فراهم می‌کند. این نتایج می‌تواند در اپتیک قطبش فشرده، ادوات غیرخطی و در بلندمدت در سامانه‌های فوق‌کوچک مانند لنز‌های تماسی هوشمند نقش مهمی ایفا کند.

گامی به سوی کوچک‌سازی تجهیزات نوری

نقشه نوری دقیق تهیه‌شده از این کریستال نشان می‌دهد که MoOCl₂ به دلیل ساختار ویژه خود به‌طور طبیعی به‌عنوان یک محیط هذلولوی (Hyperbolic Medium) عمل می‌کند. این ویژگی به نور اجازه می‌دهد در قالب پرتو‌های بسیار کوچک و جهت‌دار در مقیاس نانومتری حرکت کند، بدون آنکه دچار پراکندگی قابل‌توجه شود.

این خصوصیت برای ساخت مدار‌های نوری فوق‌فشرده حیاتی است. مدار‌هایی که قرار است در آینده جایگزین بسیاری از سامانه‌های الکترونیکی شوند.

پژوهشگران معتقدند این ماده می‌تواند در ساخت قطبش‌دهنده‌های فوق‌نازک موجبر‌های نوری زیرحد پراش، تراشه‌های فوتونیکی پیشرفته و تجهیزات نانوفوتونیک غیرخطی مورد استفاده قرار گیرد. چنین فناوری‌هایی امکان تولید رنگ‌های جدید نور، پردازش سریع‌تر سیگنال‌های نوری و توسعه سامانه‌های اپتیکی بسیار کوچک را فراهم خواهند کرد.

به گفته محققان مجموعه این دستاورد‌ها می‌تواند پایه علمی لازم برای طراحی نسل آینده فناوری‌های نوری فوق‌فشرده را فراهم کرده و تحقق ابزار‌هایی مانند لنز‌های تماسی هوشمند، نمایشگر‌های واقعیت افزوده پیشرفته و سامانه‌های فوتونیکی مینیاتوری را یک گام به واقعیت نزدیک‌تر کند.