فیزیک‌پیشگان بریتانیایی موجبر حالت جامدی ساده‌ای را پیشنهاد کردند که می‌تواند نور را «متوقف کند». پژوهشگران می‌گویند ساخت این ابزار – که در شرف ساخت در آزمایشگاه است – سرراست بوده و از آن می‌توان به عنوان رابط میان مدارات الکترونیکی و اپتیکی استفاده کرد. هم‌چنین این موجبر می‌تواند ساخت لیزرهای جدید و سامانه‌های تصویربرداری-مولکولی را به دنبال داشته باشد. 

تصویری شماتیک از طرحی ابتکاری که برای متوقف کردن نور استفاده می‌شود. این ساختار که در طول موجهای مخابراتی کار می‌کند، از زیرلایه Si تشکیل شده که با دولایه ITO محدود شده است، که لایه بالایی (سمت راستی) دارای ضخامت محدود است. پرتوهای نور فرودی سفید دیده می‌شود. به جای آن‌که حرکت این پرتوها بر اساس ساختار هدایت شود، پالس‌های برانگیخته‌شده (رنگی) بدون پراکندگی در حالت توقف باقی می‌ماند (Courtesy: O Hess و هم‌کاران، Phys Rev Lett).

گذاشتن دام

بر خلاف سرعت فاز نور، که سرعت حرکت جبهه‌های موج به صورت جداگانه است، فوتون‌ها با سرعت گروه‌ موج‌های نور حرکت می‌کنند. این همان سرعت پیش‌روی هر بسته موج است که جبهه‌های موج منفرد از آن عبور می‌کنند. برای آن‌که بخواهید پالسی از نور را نگه دارید، باید سرعت گروه را به صفر کاهش دهید. در اصل، این مهم در آن دسته از کریستال‌های فوتونیکی قابل حصول است که موادی ترکیبی متشکل از مناطقی هستند که به تناوب ضریب شکست بالا و پایین دارند. درهرحال، ناهمگنی‌های اجتناب‌ناپذیر در این ساختارها مانع از آن می‌شود که نور به طور کامل در این مواد متوقف شود.

راه‌حل هوشمندانه دیگر شفافیت القایی الکترومغناطیسی است که در آن دو پرتوی لیزر گذار الکترونی‌ای را موجب می‌شوند که توسط نوری با فرکانسی خاص برانگیخته شده و ماده را نسبت به آن نور ویژه شفاف می‌کند. اگر یکی از لیزرها به صورت ناگهانی خاموش شود، نور می‌تواند در ماده به دام افتاده و پیش از آن‌که با روشن شدن لیزر دوباره آزاد شود، تا یک دقیقه درون برانگیختگی‌های هم‌دوس اسپین الکترون‌های ماده باقی بماند.

در هر حال، این اتفاق باید در دمایی نزدیک به صفر مطلق انجام شود تا هم‌دوسی برانگیختگی‌های اسپیین‌ها حفظ شود. به علاوه این روش در حقیقت فوتون‌ها را نگه نمی‌دارد، بلکه اطلاعات فوتون‌ها را به شکل دیگری حفظ می‌کند.

فرکانس‌های مختلط

حال، Ortwin Hess و هم‌کارانش در کالج سلطنتی در لندن از طرح ساده‌تری پرده‌برداری کردند. آن‌ها دریافتند که زیرلایه سیلیکونی با 290 نانومتر ضخامت که با لایه‌های 500 نانومتری از ایندیوم قلع اکسید (ITO) پوشانده شده، می‌تواند از مدهای اپتیکی با فرکانس‌هایی که اعداد مختلطی هستند، پشتیبانی کند. به علاوه، یکی از این مدهای اپتیکی سرعت گروه دقیقاً صفر دارد.

سوالی تجربی این است که با این فرض که فرد نمی‌تواند نور را در سرعت صفر به سمت پایین موجبر بفرستد، این مدها چگونه می‌توانند برانگیخته شوند. اعضای این تیم معتقدند که راه‌حل بر این واقعیت استوار است که مد با سرعت صفر مدی دارای نشتی است، که یعنی نور در موجبر سیلیکونی می‌تواند از طریق ITO، به عنوان موج غیرانتشاری، که موج میرا نامیده می‌شود، فرار کند. این موضوع برای موجبر عادی عیب محسوب می‌شود، اما پژوهشگران این عیب را به مزیت تبدیل کرده‌اند.

Hess چنین توضیح می‌دهد: «به همان صورت که تشعشع به بیرون می‌تواند وجود داشته باشد، می‌توانید از این ترفند برای تشعشع به داخل استفاده کنید». این تیم چنین دریافت که نور نزدیک به مادون قرمز در موجبر که در زاویه‌ای خاص تابیده شود، موج میرا را در ITO برانگیخته می‌کند. پس این اتفاق مد مطلوب سرعت-صفر را در تکه سیلیکون برانگیخته می‌کند. به صورت نهانی، بسته‌های موج در زیرلایه تقریباً هیچ پراشی ندارند، که یعنی نه تنها رو به جلو حرکت نمی‌کنند، بلکه طول موج‌های مختلف نیز به بیرون پخش نمی‌شوند. این امر می‌تواند برای تقویت تعداد داده‌های اپتیکی که می‌توانند به پایین موجبر ارسال شوند، مفید باشد.

پیش به سوی کالیفرنیا

پژوهشگران دریافتند که این تأثیر باید سطوح واقع‌گرایانه‌ای از ناکاملی‌ها را در سطح ITO و سیلیکون باقی گذارد، آزمایش‌کنندگان در کالیفرنیا تصمیم گرفتند چنین مجموعه آزمایشی را ترتیب دهند. Hess بر این باور است اگر این آزمایش موفقیت‌آمیز باشد، این پژوهش می‌تواند به کاربردهای زیادی منتهی شود. این گروه هم‌اینک در حال کار روی «لیزر نور-متوقف‌شده» کوچک هستند، که در آن پالسی ایستا از نور می‌تواند پمپاژ شده و بدون نیاز به کاواک یا آینه تقویت شود. فراتر از این، نگه داشتن نور در یک مکان می‌تواند تا حد بسیار زیادی احتمال برهم‌کنش آن را با ماده افزایش دهد. این موضوع می‌تواند در محاسبه‌گرهای اپتیکی، سلول‌های خورشیدی با بازده بالا و حتی تصویربرداری بیومولکولی کاربرد داشته باشد. هم‌چنین می‌تواند برای ساخت حافظه کوانتومی اپتیکی مورد استفاده قرار گیرد.

Nicholas Fang از موسسه فناوری ماساچوست این پژوهش را تحسین می‌کند. او می‌گوید «این پژوهش رویکردی منحصر به فرد برای فشردن نور در سخت‌افزارهای زیر-طول موج عمیق است». «شاید این کوچکترین فیبر نوری باشد که بشر بتواند آن را طراحی کند». او به طور خاص تحت تأثیر این واقعیت قرار گرفت که این طرح نیازمند هیچ ماده نامتعارفی نیست. هسته آن از ماده سیلیکون استاندارد است و موجبر نور را با استفاده از اکسیدی رسانا، که غالباً در نمایشگرها بسیار استفاده می‌شود، به دام می‌اندازد، بنابراین هر دو ماده برای صنعت فوتونیک آشنا هستند».

این پژوهش برای انتشار در Physical Review Letters پذیرفته شده است.

Plasmonic waveguide stops light in its tracks

 مرجع: