نور، با رنگهای بی شمار خود، یکی از شگفتی های طبیعت است. برای درک واقعی آنچه می بینیم، ضروری است تا رنگهای دقیق نوری که با آن جهان خود را حس می کنیم را بشناسیم. به وسیله خط کش های نوری که شانه فرکانسی نامیده می شوند و اولین ابداع آن برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 2005 شد، می توان به این امر دست یافت.

خط کش های نوری نه تنها برای اندازه گیری رنگها، بلکه زمانها، مسافت ها و دیگر کمیتهای لازم به جهت اهمیت آنها در کاربردهای علم و فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. آنها ابزارهایی هستند که به ما اجازه می دهند تا به قلمرو نور ورود پیدا کرده و ژرف ترین اسرار آن را آشکار سازیم.

این دقیقا آن چیزی است که یک پژوهش جدید به سرپرستی دانشگاه پلی تکنیک والنسیا (UPV) با مشارکت پژوهشگرانی از دانشگاه پلی تکنیک کاتالونیا-بارسلونا (UPC) و موسسه علوم فوتونیک (ICFO) امکان پذیر ساخته است. در تحقیق آنها که در مجله علمی پژوهشی Nature Photonics منتشر شده، آنها "حالتهای مار فوتونیکی ((Photonic snake states"، که ابزاری جدید برای گره گشایی از اسرار نور است را کشف کرده اند.

این پژوهش، توجه جامعه علمی بین المللی را جلب کرده و چشم اندازهای بینظیری را در تشکیل شانه های فرکانسی آشکار می کند: وجود خط کش های اپتیکی دو بعدی پیش بینی می شود که پیچیده تر از انواع یک بعدیِ تاکنون به کار گرفته شده هستند و تنوع بی سابقه ای را در بازه گسترده ای از کاربردها عرضه می نماید.

کاربردها در ارتباطات، طیف سنجی یا محاسبات

شانه های فرکانسی بازه گسترده ای از کاربردها به ویژه در زمینه ارتباطات دارند. به عقیده نویسندگان این مقاله، این شانه ها اجازه می دهند حجم زیادی از اطلاعات از میان تارهای نوری به روشی بسیار کارآمد انتقال داده شوند، چون با داشتن فرکانسهای معین، چندین سیگنال نوری میتوانند به طور همزمان فرستاده شده و موقع دریافت به سادگی از هم تفکیک شوند.

حوزه دیگری که شانه های فرکانسی ثابت کرده اند که در آن بسیار مفید واقع میشوند، طیف سنجی است. توانایی دستیابی به طیف های نوری با دقت و تفکیک پذیری بی نظیر، شناسایی مواد مختلف را ساده تر می کند. این امر کاربردهای مستقیم در زمینه هایی همچون شیمی، زیست شناسی و داروسازی، جایی که آشکارسازی دقیق مولکولها و مشخصه یابی مواد ضروری است، دارد.

در زمینه سنجه شناسی (metrology)، یعنی علم اندازه گیری، این ساختارها به لطف قابلیت خود برای تولید فرکانسهای پایدار و معلوم، به عنوان یک مرجع مورد استفاده قرار می گیرند تا استانداردها را توصیف کنند. به این ترتیب اندازه گیری دقیق کمیت های بنیادی، از جمله زمان یا طول را که مرتبط با اغلب زمینه های علمی است مقدور می سازد.

در آخر، شانه های فرکانسی همچنین به کاربردهای امیدوار کننده ای در محاسبات کوانتومی، که در آن ذرات نور ( یا فوتون ها) نقشی کلیدی ایفا می کنند، دست یافته اند. به ویژه، شانه های فرکانسی می توانند به منظور تولید تک فوتون ها با ویژگی های خاص به کار گرفته شوند که برای توسعه این فناوری ها حیاتی است.

آینده خط کش های اپتیکی

یک مشکل اساسی که برای موفق شدن در این طرح های پیشنهادی باید بررسی شود، ناپایداری هایی است که زمان تلاش برای ساخت این خط کش های نوری ظاهر شده و مانع از تولید شکل های متنوع نور می شود. همانطور که پروفسور پدرو فرناندز د کوردبا Pedro Fernandez de Cordoba پژوهشگر در UPV s IUMPA و نویسنده همکار این مقاله خاطر نشان می کند "باید توجه داشت که گروه ما از نقطه نظر تئوری شرایطی را فراهم کرده است تا ساختار نور پایدار باشد، یعنی پیکربندی های زیگزاگی شکلی پیدا کرده که ما آن ها را مارهای فوتونیکی نامیده ایم. پایداری این حالتهای نوری یک جنبه مهم در کاربردهای آتی است."

این مقاله همچنین نشان داده که ایجاد یک آرایش دو بعدی از خط کش های نوری هماهنگ شده با دسترسی جداگانه، امکان پذیر است . این کشف مجموعه ای بزرگ از خط کش هایی را فراهم می کند که در یک تک دستگاه تولید شده و توسط یک تک منبع نوری لیزری کنترل می شوند. در واقع، همانطور که پروفسور کارلز میلیان Carles Milian که این پژوهش را سرپرستی میکرد، می گوید "تاثیر بالقوه این پیشرفت فوق العاده است، زیرا میتواند توسعه دستگاه های چند شانه پهن باند، قابل پیکربندی مجدد و یکپارچه را ممکن سازد. این دستگاه ها شانه های فرکانسی مختلف را بنا به نیاز و در زمان حقیقی فراهم کرده، به طور قابل توجهی کاربردهای موجود را گسترش می دهند."

در پایان، این پژوهش بر اساس مدلهای تئوری دقیق و بسیار کاملی است که همه اثرات معلومی که ممکن است در آزمایشهای آینده روی تشکیل شانه های فرکانسی دو بعدی ظاهر شود را در نظر گرفته و با استفاده از ابزارهای تئوری و عددی قدرتمند شبیه سازی شده اند. در واقع، همان طور که پروفسور آلبرتو کانژرو Alberto Conejero، مدیر دپارتمان ریاضیات کاربردی UPVو نویسنده همکار این مقاله اشاره می کند "این پژوهش، یک مدل بسیار دقیق ساخته است که شامل همه پدیده هایی میشود که می توانند روی تشکیل این ساختارها تاثیر بگذارند. لذا، با تاثیرات اقتصادیِ از قبل دانستنِ پارامترهای تجربی ای که منجر به تولید مارهای نوری پایدار می شوند، به عنوان یک راهنما برای آزمایشهای آینده عمل خواهد کرد."

این کشف نقطه عطفی را در فیزیک این ساختارها مشخص می کند و مسیر را برای "آینده هیجان انگیزِ دستگاه های نوری پیشرفته" هموار می کند. سلیم ایوارس Salim B. Ivars (دانشگاه پلی تکنیک کاتالونیا)، یاروسلاو کارتاشف Yaroslav V. Kartashov و لیئوس ترنر LIuis Torner (ICFO) نیز در این پژوهش سهیم بوده اند. به عقیده آنها "این کشف مهم به دلیل غیر منتظره و شگفت انگیز بودن قابل توجه است و به لطف بینش و راهنمایی پروفسور میلیان امکان پذیر شده است."

گروه دانشگاه های UPV، UPC و ICFO می گویند این یافته، ترغیب به پژوهش بیشتر در این زمینه خواهد کرد و به کاربردها و فناوریهای جدید تحول آفرین منجر می شود. آنها نتیجه گیری می کنند "به لطف این پیشرفتها ما یک قدم به گره گشایی کردن از اسرار نور و تحت کنترل درآوردن پتانسیل کامل آن به نفع جامعه خود نزدیکتر شده ایم."

منبع:

Researchers discover photonic snake states, a new instrument for unveiling the secrets of light

ترجمه خبر: بهناز ساربانها