نقش‌های گردابه مانند از مولکو‌ل‌های کریستال مایع می‌توانند با نور برهمکنشی مانند عدسی‌ها داشته باشند و برای پردازش‌ تمام-نوریِ اطلاعات مفید واقع شوند.

کریستال‌های مایع که در نمایشگر‌های صفحه‌تخت معروف هستند، مولکول‌هایی میله‌ای شکل دارند که وقتی با یکدیگر هم جهت می‌شوند برای کنترل نور مورد استفاده قرار می گیرند. اکنون، پژوهشگران نشان داده‌اند که الگوهای چرخانی از این مولکول‌ها قادرند با نور برهمکنش کنند و پیش‌بینی می‌شود که چنین الگوهایی ممکن است پایه محاسبات تمام-نوری باشد[1]. آزمایش‌‌های آن‌ها نشان می‌دهد که این چیدمان موسوم به سالیتون‌های توپولوژیکی- که سریعاً به کمک میدان‌های خارجی ایجاد می‌شود- می‌تواند یک پرتو لیزر را خم کرده یا نور آن را متمرکز کند. بنابراین به گفته پژوهشگران، از این سالیتون‌ها می‌توان برای تولید درگاه‌های منطقی نوری یا ترانزیستورهای نوری استفاده کرد.

در نمایشگرهای کریستال مایع (LCD ها)، مولکول‌ها نوعاً در ردیف‌های کامل به خط می‌شوند و نظم آن‌ها به شدت بر نور گذرنده از درون ماده اثر می‌گذارد. اما مولکول های کریستال مایع می توانند در الگوهای مختلف دیگری که برای دستگاه ها مفید باشد نیز موضع بگیرند. سالیتون‌ها دسته‌ای از الگوها شامل نقوش موج-گونه مانند دیوارهای پیچشی هستند- ساختاری که هر لایه از مولکول‌ها نسبت به لایه بعدی کمی چرخیده است به طوری که در فاصله کوتاهی به یک چرخش 180 درجه می‌رسند. در سالیتون دیگری به نام اسکیرمیون (skyrmion)، موج به صورت مارپیچ از یک نقطه خارج می شود و الگوی چرخشی را شکل می دهد که شبیه گرداب است. محققان اولین بار یک سالیتون در کریستال مایع را 50 سال پیش مشاهده کردند اما مشخص نبود که چنین ساختارهایی چرا و چگونه ممکن است با نور برهمکنش کنند.

برای یافتن پاسخ این سوال‌ها، اندرو هس Andrew Hess در دانشگاه کلرادو بولدر و همکارانش لیزرهایی را به سالیتون‌ها تاباندند. برای ایجاد این سالیتون‌ها، گروه از روشی قبلا-معرفی شده شامل ساندویچ کردن لایه‌ای نازک از کریستال مایع بین دو صفحه شیشه‌ای و سپس تاباندن لیزر به ماده برای ایجاد الگو استفاده کردند2]]. با جابجایی لیزر و اعمال ولتاژ بین صفحات، پژوهشگران دیواره‌های چرخشی و اسکیرمیون‌هایی با اندازه‌های مختلف ایجاد کردند. بعد از آن، محققین باریکه‌ای از یک لیزر کم توان‌تر را به صورت موازی با صفحات شیشه‌ای به درون ماده فرستادند. آنگاه با استفاده از یک میکروسکوپ نوری برهمکنش این باریکه با سالیتون‌ها را مشاهده کردند.

عدسی‌های مایع- شبیه سازی (بالا) و آزمایش (پایین) نشان می دهد که یک اسکیرمیون کریستال مایع می تواند نور را متمرکز کند. پرتوی لیزر از سمت راست وارد می شود و سپس در یک نقطه متمرکز می شود (به توضیحات متن مراجعه کنید). متمرکز سازی فقط زمانی رخ می دهد که نور از مرکز ساختار عبور کند. (دایره موجود در این تصویر چنبره‌ای است که سطح مقطع آن یک اسکیرمیون است).

هس و همکارانش هنگام برخورد نور با سالیتون‌ها دو رفتار اصلی مشاهده کردند: خم کردن و متمرکز کردن. خم کردن در هر دو سالیتون‌ اتفاق می‌افتد در حالی‌ که متمرکز کردن تنها در اسکیرمیون‌ها و فقط وقتی رخ می‌دهد که باریکه لیزر از نقطه مرکزی اسکیرمیون بگذرد.

گروه تحقیق این رفتار را به لحاظ نظری با این فرضیه توضیح می‌دهد که سالیتون‌ها به صورت موضعی ضریب شکست ماده و به تبع آن سرعت نور درون ماده را تغییر می‌دهند. این تغییر موجب می‌شود که سالیتون همانند مرزی بین دو ماده با ضریب شکست‌های مختلف، مثل هوا و آب، عمل کند. گروه متوجه شد که نسخه تعمیم یافته‌ای از قانون اسنل- همان قانون کتاب‌های درسی برای تعیین زاویه بازتاب یا شکست نور در برخورد به یک مرز - مسیرهای نور را پیش‌بینی می‌کند.

بنا به گفته‌ی هس، یافته‌ها نشان می‌دهد که چنین سالیتون‌هایی با نور برهمکنش دارند و بنابراین می‌توانند باعث توسعه نمایشگرهای جدید یا انواع جدیدی از ابزارهای نوری، تنها با استفاده از کریستال مایع شوند. به عنوان مثال، می توان ساخت نوعی مدار را در کریستال مایع تصور کرد که سالیتون ها نور را برای انجام یک محاسبه خم و دستکاری می کنند. ترزا لوپز-لئون Teresa Lopez-Leon در ESPCI پاریس‌تِک می‌گوید این قابلیت هیجان انگیز است. او پیش بینی می کند که بتوان از یک سری از سالیتون‌های موجود در همان لایه کریستال مایع برای ایجاد دستگاههای فعال نوریِ متصل به هم استفاده کرد. لوپز-لئون بیان می‌کند که این عناصر نوری هیچ محدودیت فیزیکی ندارند و می‌توان آن‌ها را با میدان‌های خارجی بازچینش یا دستکاری کرد. چیزی که ممکن است منجر به ابزارهای تمام-نوری با سازگاری و قابلیت تطبیق بی‌نظیر شود.

مراجع

1. A. J. Hess et al., “Control of light by topological solitons in soft chiral birefringent media,” Phys. Rev. X 10, 031042 (2020).
2. P. J. Ackerman et al., “Optical generation of crystalline, quasicrystalline, and arbitrary arrays of torons in confined cholesteric liquid crystals for patterning of optical vortices in laser beams,” Phys. Rev. E 86, 021703 (2012).

منبع خبر