پراکندگی نور یک پدیده‌ی رایج اپتیکی به حساب می‌آید که بسیار شبیه پدیده‌های بازتاب، شکست و جذب است. مولکول‌های کوچکی که در جو زمین وجود دارند، نور خورشید را در طول‌موج‌های کوتاه طیف نوری کارآمدتر پراکنده کرده و به ابرها رنگ سفید می‌بخشند. در حالت عمومی شدت و جهت نور پراکنده‌شده به طول‌موج نور و به مشخصه‌های پراکنده‌ساز بستگی دارد؛ مشخصه‌هایی همچون اندازه، هندسه و ضریب شکست. پژوهش‌گران این مشخصه‌ها را تنظیم کرده‌اند تا ساختارهایی را مهندسی کنند که نور را به روش‌های مشخص و غالباً شگفت‌انگیز پراکنده کنند. طرح‌هایی برای به صفر رساندن پراکندگی یا «نامرئی سازی» پیشنهاد شده و به تحقق رسیده‌اند [1,2] در این طرح‌ها پراکندگی در جهت خاصی بهبود بخشیده می‌شود [3-5]. اکنون تیمی که توسط هونگ شنگ چن از دانشگاه ژیانگ در چین و بایل ژانگ از دانشگاه فنی نای‌یانگ در سنگاپور رهبری می شود، ساختاری در اندازه‌ی زیرطول‌موجی را طراحی کرده‌اند که قادر است نور را بشدت پراکنده ساخته و اولین اثبات تجربی از اثر موسوم به ابرپراکندگی (Superscattering) [6] را فراهم کند. این پدیده را می‌توان در کاربردهای گوناگونی مورد استفاده قرار داد؛ از افزایش بازدهی آنتن‌ها گرفته تا بهبود وضوح تصویربرداری.

پراکندگی نور در سطح کوچک‌مقیاس فرآیندی است که در آن یک موج نور فرودی الکترون‌های جسم را دچار اختلال کرده و باعث القای ارتعاشات ممان دوقطبی می شود که منجر به تابش گسیل می‌گردد. شدت پراکندگی را می‌توان با سطح مقطع پراکندگی اندازه گرفت که به صورت نسبت توان پراکنده‌شده به شدت موج نور فرودی تعریف می‌شود. برای یک پراکنده‌سازِ زیرطول‌موجی (پراکنده‌سازی که در مقایسه با طول موج بسیار کوچک‌تر است؛ شبیه یک اتم در نور مرئی) اثبات شده است که بیشینه‌ی سطح مقطع پراکندگی به ترتیب در سه و دو بعد برابر است با 3λ²/2Π و 2λ/Π که در آن λ طول‌موج نور پراکنده شده است [7]. در این محدوده‌ی «تک کانالی» فرض بر آن است که تابش صرفاً از طریق گذارهای دوقطبی الکتریکی گسیل می‌شود. این حد تقریباً برای تمام پراکنده‌سازهای زیرطول‌موجی که قبلاً مطالعه شده‌اند اعمال شده است. اما از زمان مقاله‌ی اصلی (سال ۲۰۱۰) محققان پیشنهاد داده‌اند که چگونه با معرفی مدهای اضافی بر این حد اساسی می‌توان غالب شد؛ این مدهای اضافی شامل ممان‌های الکتریکی مرتبه‌ی بالا مثل چهارقطبی‌ها، شش‌قطبی‌ها و شبیه آن‌هاست که هر کدام فرکانس تشدید یکسانی دارند [8]. اگر این مدها بعنوان کانال‌های چندگانه‌ای که به طور همزمان و سازنده در فرآیند پراکندگی سهم دارند عمل کنند، می‌توان به شکل قابل توجهی سطح مقطع پراکندگی یک پراکنده‌سازِ زیرطول‌موج را افزایش داد. این طرح که در سال ۲۰۱۰ پیشنهاد شده، بر مدهای پلاسمونی اپتیکی چندگانه‌ی یک نانومیله‌ی چندلایه‌ای متکی است [8]. این مدهای پلاسمونی تحریکات جمعی الکترون‌ها در سطح ماده است. با این حال اثبات تجربی این مفهوم با دومانع روبروست: رسانندگی محدود فلز در ناحیه‌ی اپتیکی‌ِ طیف به اتلاف توان پراکندگی منجر می‌شود و ساخت این نانوساختار پیچیده است.

چنگ، ژانگ و همکارانش بر این مشکلات فائق آمده و یک اثر ابرپراکندگی را در دو فرکانس و در ناحیه‌ی میکروموج به اثبات رسانده‌اند[6]. آن‌ها بواسطه‌ی محاسبات تحلیلی و عددی ابرپراکنده‌سازی را که از استوانه‌ی به قطر ۳۵/۹۶ میلی‌متر ساخته شده طراحی کرده‌اند که شامل سه فرا‌سطح (metasurfece) استوانه‌ایِ هم‌مرکز است که با مواد دی‌الکتریک از هم جدا شده‌اند. هر کدام از این فرا‌سطوح از نوارهای مسی متناوب ساخته شده‌اند و ضخامت آن‌ها بسیار کوچک‌تر از طول‌موج است (شکل ۱). بر اساس نظریه‌ی موسوم به محیط موثر، این فرا‌سطوح به عنوان یک بره‌ی فوق‌نازک با ضریب شکست بسیار بزرگ عمل ‌می‌کنند که امواج سطحی را با فرکانس‌های میکروموج محدود می‌کنند. این امواج، امواج الکتریکی عرضی (TE) هستند یعنی میدان الکتریکی آن‌ها در طول محور لوله قطبیده شده است. با تنظیم دقیق هندسه‌ی این فرا‌سطوح بواسطه‌ی متناوب بودن و پهنای نوارهای مسی، می‌توان آن‌ها را چنان ساخت که مدهای چندگانه‌ی TE سطحی (تبهگن) را پشتیبانی کنند؛ یعنی تمامی آن‌ها در فرکانس یکسانی تشدید کنند. این ابرپراکنده‌ساز که توسط پژوهش‌گران طراحی شده است مدهای دوقطبی و چهارقطبی را در هردو فرکانس‌ ۲/۲ و ۳/۷۳ گیگاهرتز پشتیبانی می‌کند. بعلاوه رسانندگی سطحی این ابرپراکنده‌ساز به اتلاف توان بسیار پایین می‌انجامد و از این طریق بر تلفاتی که مانع بزرگی در کار قبلی محسوب می‌شد، غلبه می‌کند.

شکل ۱) طرح ابرپراکنده‌ساز که توسط چن، ژانگ و همکارانشان مهندسی شده است. استوانه‌ای که از سه استوانه‌ی فرا‌سطوحِ هم‌محور ساخته شده که با مواد دی الکتریک از هم جدا شده‌اند.

بدون شک اندازه‌گیری‌های سیستماتیک امواج پراکنده‌شده‌ی اثر ابرپراکنده‌ساز، هم در ناحیه‌ی میدان-نزدیک و هم میدان-دور، حول این ساختار به اثبات رسیده است. این اندازه‌گیری‌ها به محققان امکان داده است تا مهم‌ترین مشخصه‌های این فرآیندِ پراکندگی را بدست آورند؛ مشخصه‌هایی که شامل توزیع میدان محلی در میدان‌-نزدیک بعلاوه سطح مقطع پراکندگی و جهت‌گیری پراکندگی است. سطح مقطع‌های پراکندگی کلی که در ۲.۲ و ۳/۷۳ گیگاهرتز اندازه‌گیری شده‌اند بیش از چهار برابر حد تک‌-کاناله است که با محاسبات این پژوهش‌گران هم‌خوانی بسیار خوبی دارد. پژوهش‌گران علاوه بر ارتقاء سطح مقطع مشاهده کرده‌اند که الگوی تابش جهت‌گیری شده است؛ طوری‌که غالبِ شدت پراکندگی به سمت جلو است. هم جهت‌گیری و هم ارتقاء پراکندگیِ این ابرپراکنده‌ساز در مقایسه با نمونه‌ی کنترلی (میله‌ی مسیِ همگن با هندسه‌ی یکسان با این ابرپراکنده‌ساز اما بدون فرا‌سطوح) تایید شده است (شکل ۲).

شکل ۲) الگوی پراکندگی مشاهده شده برای ابرپراکنده‌ساز (سمت چپ) و برای نمونه‌ی کنترلی با هندسه‌ی یکسان اما بدون فرا‌سطوح (سمت راست).

این کار که توسط چن، ژانگ و همکارانشان انجام شده، نشان داده است که می‌توان اساساً اندرکنش نور-ماده را در مقیاس زیرطول‌موج با مهندسی مدهای تشدید یک پراکنده‌ساز، ارتقاء بخشید. این نتایج فرصت‌های شگفت‌انگیزی را بر روی مطالعات بنیادی و کاربردهای عملی فراهم می‌کند. در سطح بنیادین، مطالعه‌ی ترکیبی از اثرات ابرپراکندگی با پدیده‌ی انتشار موج در یک محیط با ساختار اتفاقی بسیار جذاب است. در چنان محیطی که شامل تعداد زیادی پراکنده‌سازهایی است که به شکل رندم توزیع شده‌اند، پدیده‌های جالبی مثل جایگزیدگی اندرسون، پس‌پراکندگیِ همدوس و اثرات حافظه دیده می شود. پدیده‌های نادری در محیط با چینش اتفاقی رخ دهد که در آن پراکنده‌سازها ابرپراکنده‌ساز باشند. به زبان کاربردی، یک آنتن بر پایه‌ی ابرپراکنده‌ساز، قطعه‌ی نویدبخشی خواهد بود که بازدهی بالا و جهت‌گیری عالی برای ارتباطات بی‌سیم، انتقال داده‌ها و حسگریِ از راه دور از ویژگی‌های آن است. سرانجام، پژوهش آینده ممکن است کاربردهای اثر ابرپراکندگی را فراتر از فرکانس میکروموج گسترش دهد که می‌تواند پیامدهای مهمی در تصویربرداری، حس‌گری نمایش‌گرهای اپتیکی داشته باشد. هر چند عملیاتی سا‌زی این موضوع چالش‌برانگیز است اما به‌نظر می‌رسد حداقل در طول‌موج‌های فروسرخ امکان‌پذیر باشد. اخیراً از مواد کم-اتلاف و ساختارهایی که برای چنان طول موج‌هایی مناسب‌اند پرده برداری شده است؛ مثل بورون نیترید شش‌وجهی [9] و میکروذراتی با پوسته‌های دی‌الکتریک که هسته‌هایی از جنس طلا دارند [10].

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است.

مراجع:

1. A. Alù and N. Engheta, “Achieving transparency with plasmonic and metamaterial coatings,” Phys. Rev. E 72, 016623 (2005).
2. B. Edwards, A. Alù, M. G. Silveirinha, and N. Engheta, “Experimental verification of plasmonic cloaking at microwave frequencies with metamaterials,” Phys. Rev. Lett. 103, 153901 (2009).
3. S. Person, M. Jain, Z. Lapin, J. J. Sáenz, G. Wicks, and L. Novotny, “Demonstration of zero optical backscattering from single nanoparticles,” Nano Lett. 13, 1806 (2013).
4. Y. H. Fu, A. I. Kuznetsov, A. E. Miroshnichenko, Y. F. Yu, and B. Luk’yanchuk, “Directional visible light scattering by silicon nanoparticles,” Nat. Commun. 4, 1527 (2013).
5. K. Yao and Y. Liu, “Controlling electric and magnetic resonances for ultra-compact nanoantennas with tunable directionality,” ACS Photonics 3, 953 (2016).
6. C. Qian, X. Lin, Y. Yang, X. Xiong, H. Wang, E. Li, I. Kaminer, B. Zhang, and H. Chen, “Experimental observation of superscattering,” Phys. Rev. Lett. 122, 063901 (2019).
7. C. J. Foot, Atomic Physics, Vol. 7 of Oxford Master Series in Physics (Oxford University Press, New York, 2005)[Amazon][WorldCat].
8. Z. Ruan and S. Fan, “Superscattering of light from subwavelength nanostructures,” Phys. Rev. Lett.105, 013901 (2010).
9. C. Qian, X. Lin, Y. Yang, F. Gao, Y. Shen, and J. Lopez, “Multifrequency superscattering from subwavelength hyperbolic structures,” ACS Photonics 5, 1506 (2018).
10. K. Yao and Y. Liu, “Infrared plasmonic resonators based on self-assembled core–shell particles,” ACS Photonics 5, 844 (2017).

منبع:

A Metamaterial for Superscattering Light