شرایط بسیار سختی باید مهیا شود تا فوتون‌ها با هم‌دیگر اندرکنش داشته باشند. به این منظور برای مثال می‌توان فوتون‌ها را از یک ابر چگالیده‌ی اتم‌های فوق‌سرد یا با استفاده از نور لیزر بسیار شدید ارسال کرد. اما اکنون پژوهش‌گران به شکل نظری نشان داده‌اند که می‌توان فوتون‌ها را با استفاده از نور بسیار ضعیف در یک بره‌ی معمولی از سیلیکون با برش‌دادن مجموعه‌ی دقیقی از فضاهای هوا در درون این ماده اندرکنش داد. این اثر می‌تواند توسعه‌ی قطعات برپایه‌ی فوتون چه کلاسیکی و چه کوانتومی را با استفاده از مواد معمولی ساده‌تر سازد.

دو موج نوری در خلا یا هوا از هم عبور می‌کنند، چون فوتون‌ها باهم اندرکنش نمی‌کنند. در یک جامد غیرفلزی مثل سیلیکون فوتون‌ها می‌توانند طی اثری موسوم به اثر کِر (Kerr ) اندرکنش داشته باشند؛ اثری که در آن حضور یک فوتون ضریب شکست ماده را تغییر داده و چگونگی رفتار فوتون دوم را در درون آن ماده تغییر می‌دهد. اندرکنش‌های فوتونی در داخل مواد برای ساخت درگاه‌های منطقی (مولفه‌های یک رایانه‌ی اپتیکی) بر پایه‌ی فوتون مفید خواهد بود. اما اثر کر معمولاً به میدان‌های الکتریکی فوق‌العاده قوی نیاز دارد که با پرتوهای لیزری شدید تولید می‌شود.

اما اکنون هایونگراک چوی (Hyongrak Choi)، میککل هیک (Mikkel Heuck) و دیرک انگلوند (Dirk Englund) از موسسه‌ی فناوری ماساچوست در کمبریج به شکل نظری نشان داده‌اند که میدان‌های قوی مشابه‌ای را می‌توان با معرفی یک الگوی دقیق از فضاهای هوایی در ماده تحقق بخشید. آن‌ها پیشنهاد داده‌اند که با فناوری مدرنِ ساخت قطعات، می‌توان به اندرکنش‌های فوتونی حتی با نور بسیار ضعیف نیز دست یافت.

کار این تیم که بر اساس کار مایکل لیپسون از دانشگاه کلمبیا در نیویورک و همکارانش است که در سال ۲۰۰۵ نور ذخیره شده در سیلیکون را مورد مطالعه قرار داده‌اند [1]. یک میله‌ی سیلیکونی با مقطه مربعی که حدود ۱۰ میکرومتر درازا دارد را فرض کنید که مجموعه‌ای از حفره‌های برابر با فاصله‌ی یکسان و افقی در آن سوراخ شده است که هر کدام از حفره‌ها تقریباً به پهنای میله هستند. پژوهش‌گران برای ساخت یک کاواک اپتیکی، حفره‌ی مرکزی را در نظر نگرفته‌ و این ناحیه‌ی جامد را رها کرده‌اند تا نور بتواند در آن به دام افتد. لیپسون و همکارانش به لحاظ نظری نشان داده‌اند که با برش شکافی باریک و افقی در مرکز کاواک که حفره‌ها را در هر دو انتها به هم وصل می‌کند می‌توان شدت بیشینه میدان الکتریکی نور بدام افتاده را با تمرکز نور در درون یک حجم کوچک ارتقا بخشید. با فرض اینکه این میدان الکتریکی به شکل منحصر بفردی عمودی باشد این شکاف شدت میدان را در درون گاف حدود ده برابر ارتقاء می‌دهد؛ چیزی که به دلیل اختلاف در ویژگی‌های الکترومغناطیسی بین هوا و سیلیکون رخ می‌دهد.

چو و همکارانش نشان داده‌اند که با تغییر و تحول این گاف هوایی ساده می‌توان انرژی میدان را حتی بیشتر از این هم متمرکز ساخت. برای مثال فرض کنید یک ستون عمودی از سیلیکون در طول مرکز گاف افقی قرار گیرد. این‌بار میدان الکتریکی با این بین‌سطحی سیلیکون-هوا موازی است، به جای آنکه عمود باشد. بنابراین قوانین میدان متفاوت هستند. نظریه‌ی الکترومغناطیس ایجاب می‌کند که این میدان در بین‌سطحی سیلیکون-هوا یکسان باشد لذا میدان قوی از گاف هوایی در داخل ستون و یا «پل» نفوذ می‌کند. در ضمن چون یک میدان الکتریکی ده برابر چگالی انرژی در سیلیکون را نسبت به هوا حمل می‌کند، این پل افزایش تقریباً ده برابری دیگری را در بیشینه‌ی چگالی انرژی بدست می‌دهد.

این تیم در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای این تخمین‌های نظری را به اثبات رسانده‌اند. چوی و همکارانش ادعا می‌کنند که می‌توان کپی‌های کوچک‌تری از این شکاف-پل‌ها را به نسخه‌ی اصلی آن اضافه نمود. ابتدا یک گاف افقی ثانویه در درون پل عمودی قرار می‌گیرد و سپس این شکاف به نوبه‌ی خود از پل سیلیکونی ثانویه‌ی دیگری عبور می‌کند. این تکمیل سازی دوباره مقدار میدان بیشینه و چگالی انرژی مربوط به آن را افزایش می‌دهد. در اصل این دستورالعمل را می‌توان در مقیاس‌های کوچک‌تر، بی‌نهایت بار تکرار کرد که تنها با ویژگی‌های ماده و فناوری‌های ساخت محدود می‌شود. در انتخاب‌ مقیاس‌ برای شکاف‌ها و پل‌ها، محققان به این نکته توجه می‌کنند که این ساختار بسادگی یک گاف هوایی خواهد بود که در آن دو نقطه‌ی تیز همچون جزیره بیرون زده و درست بهم رسیده‌اند. این ساختار انرژی میدان را در درون یک ناحیه‌ی در مقیاس نانو و نزدیک به نوک‌ها متمرکز می‌کند.

به گفته‌ی اینگلوند: «با کمال تعجب می توانستیم تنها با استفاده از هندسه، میدان الکترومفناطیسی را در درون کاواک متمرکز کنیم». این تیم همچنین دریافته است که این فناوری می‌تواند برای دست‌یابی به اثر کِر قوی حتی یک فوتون نیز کافی باشد. یعنی تزریق یک تک‌فوتون به درون این کاواک به شکل قابل ملاحظه‌ای رفتار فوتون دومی تزریقی را تغییر داده و اندرکنش قوی را بین فوتون‌ها ایجاد می‌کند. اما به بیان این تیم، دست‌یابی به این عمل ممکن است به پرکردن ناحیه‌ی شکاف با مواد آلی منتهی شود که ویژگی‌های کِر ارتقاء یافته دارند.

محمد سلطانی متخصصی در زمینه‌ی نانوفوتونیک از رایتون می‌گوید: «این کار برجسته‌ای است و احتمالاً امیدوارکننده‌ترین مفهوم تا به امروز برای ساخت قطعات عملی همچون گیت‌های فوتونی بمنظور پردازش اطلاعات کوانتومی باشد».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

یادداشت ویراستار:

طرح مشابهی برای محدودسازی میدان قوی در کاواک بلورهای فوتونی سال پیش منتشر شده بود. این کار جدید نشان داده است که این ارتقاء در میدان‌ها برای دست‌یابی به اثر کِر فوق‌قوی تنها حتی با یک فوتون نیز کافی باشد.

درباره‌ی نویسنده:

مارک بوچانان (Mark Buchanan) نویسنده‌ای آزاد از ولز و نرماندیِ فرانسه است.

مرجع:

1. J. T. Robinson, C. Manolatou, L. Chen, and M. Lipson, “Ultrasmall Mode Volumes in Dielectric Optical Microcavities,” Phys. Rev. Lett. 95, 143901 (2005).

منبع:

Small space makes a strong electric field