امیر حسن‌زاده: پژوهشگران دانشگاه پرینستون موفق به کشف مکانیسم کاملا جدیدی برای تولید پرتوهای لیزر با استفاده از مواد الکترونیکی موجود شده‌اند. بر اساس این فناوری جدید می‌توان لیزرهایی را تولید کرد که در دماهای بالاتر و با بازده بیشتری کار می‌کنند. مهم‌ترین کاربرد این لیزر جدید در حسگرهای محیطی و تشخیص‌های پزشکی خواهد بود.
به‌گزارش ساینس‌دیلی، پدیده‌ای که منجر به این کشف شده است، لیزرهای آبشاری کوانتومی نامیده می‌شود. این پدیده در برخی مواد خاص که رسانای جریان الکتریکی هستند، ایجاد می‌شود و می‌تواند پرتوی لیزر دومی با خواص فوق‌العاده غیرمعمول تولید کند.
لیزرهای جدید در مقایسه با پرتوهای معمول به توان الکتریکی کمتری نیاز دارند. کلیر گماچل، مسوول این برنامه تحقیقیاتی که مدیریت مرکز فن‌آوری فروسرخ برای محیط زیست و سلامت، MIRTHE را نیز برعهده دارد، می‌گوید: «اگر ما بتوانیم از پرتوهای لیزر مرسوم دست بکشیم، لیزرهای بهتر و با بازده بیشتری تولید خواهیم کرد. این کشف جدید، انقلابی در فیزیک لیزر به‌پا خواهد کرد.»
لیزر چیست؟
پرتوهای لیزر اساساً با نور تولید شده از منابع معمول مانند خورشید، شعله آتش یا لامپ الکتریکی متفاوت است. بر اساس نظریه الکترودینامیک کوانتومی، نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. منابع معمولی نور، فوتون‌ها را همانند جمعیت در حال جنب و جوش در یک مرکز خرید به‌طور تصادفی گسیل می‌کنند. اما در لیزر، فوتون‌ها مانند یک گروه موسیقی که در حال نواختن است، در هماهنگی کامل با یکدیگر قرار دارند. این ویژگی که هم‌فازی نامیده می‌شود، سبب می‌شود پرتوی لیزر در قالب باریکه‌ای با پهنای اندک، وشدت بسیار زیاد و با رنگ بسیار خالص تابش کند.
یکی از روش‌های تولید پرتوی لیزر، عبور جریان‌های الکتریکی از میان مواد نیمه‌رسانایی مانند آرسنید گالیوم است. جریان الکتریکی، انرژی را به ماده منتقل می‌کند و تعداد بسیار زیادی از الکترون‌ها را مجبور می‌کند به تزار انرژی بالاتر از حالت طبیعی بروند. اما الکترون‌ها دوست دارند همیشه در پایین‌ترین سطح انرژی ممکن قرار داشته باشند. بنابراین پس‌از زمان بسیار اندکی، این الکترون‌ها به تراز انرژی پایین‌تر می‌افتند و انرژی اضافی را به شکل فوتون‌های مشابه و هماهنگ می‌تابانند.
این مکانیسم، اساس همان لیزرهایی است که رایترهای سی‌دی، نشان‌گرهای لیزری و دیگر ابزارهای متداول الکترونیکی استفاده می‌شود.
آبشاری از الکترون
لیزر دانشگاه پرینستون، نوع خاصی موسوم به لیزر آبشار کوانتومی است که در آزمایشگاه نانوفیبر این دانشگاه ساخته شده است. ضخامت این ابزار یک‌دهم قطر موی انسان و طول آن 3 میلی‌متر است و علی‌رغم اندازه کوچکش، از صدها لایه از مواد نیمه‌رسانای مختلف تشکیل شده است، به‌طوری‌که هر لایه فقط به‌اندازه چند اتم ضخامت دارد. در این ابزار، الکترون‌ها همانند آبشار از میان لایه‌های نیمه رسانا به پایین می‌ریزند و با از دست دادن انرژی، فوتون‌های یک‌دستی را به وجود می‌آورند.
اما در آخرین دستاورد این گروه تحقیقاتی، گماچل و همکارانش گزارش کردند که به طور غیرمنتظره، نوعی لیزر آبشاری کوانتومی ساخته‌اند که پرتوی لیزر دومی با طول‌موج کوچک‌تر از نمونه اصلی منتشر می‌کند. جالب این‌جا است که پرتوی دوم را نمی‌توان با استفاده از نظریه موجود برای لیزرهای آبشار کوانتومی توضیح داد!
در توضیح این مکانیسم، پژوهشگران از یکی از خواص کوانتومی الکترون‌ها موسوم به تکانه کمک گرفته‌اند. تکانه به مفهوم حاصل‌ضرب مقدار ماده در سرعت آن جسم است. در توضیح لیزرهای آبشاری کوانتومی، فقط الکترون‌هایی با تکانه حدود صفر در تولید پرتوی لیزر مشارکت داده می‌شدند. علاوه بر این تعداد قابل توجهی از الکترون‌ها پیش‌از مشارکت در فرآیند تولید پرتوی لیزر، به انرژی و تکانه یکسانی دست پیدا می‌کنند که شرایط شبه‌تعادلی نام دارد. اما یافته‌های جدید نشان می‌دهد که پرتوی لیزر دوم از الکترون‌هایی با انرژی کمتر و تکانه بیشتر سرچشمه می‌گیرد که در وضعیت تعادل قرار ندارند. بنابراین برخلاف انتظار فیزیک‌دانان، الکترون‌ها حتی در شرایطی‌که ناپایداری بالایی داشته باشند، برای گسیل لیزر بسیار مفید خواهند بود.»
انقلاب لیزری
برخلاف لیزرهای نیمه‌رسانای مرسوم، پرتوی دوم با افزایش دما تا نقطه مشخصی قوی‌تر می‌شود. از این گذشته، این لیزر قابلیت رقابت با لیزرهای معمولی را دارد و می‌توان با افزایش تعداد میدان‌های الکتریکی، آن را تقویت کرد. چشم‌انداز لیزر جدید در آینده قابل‌توجه خواهد بود. لیزرهای مرسوم بر پایه الکترون‌هایی با تکانه پایین هستند، زیرا بیشتر الکترون‌ها فوتون‌های گسیل‌شده را جذب می‌کنند و بازده لیزر را پایین می‌آورند. اما در لیزر جدید، جذب نور تا 90 درصد کاهش می‌یابد. بنابراین ابزارهای جدید می‌توانند با انرژی کمتر و جریان‌های الکتریکی ضعیف‌تری نیز کار کنند، ضمن آن‌که آسیب‌پذیری کمتری با تغییر دما داشته باشند.
بر خلاف دیگر لیزرها، لیزرهای آبشاری کوانتومی در محدوده طیفی فروسرخ میانی و دور کار می‌کنند و می‌توانند برای آشکارسازی مسیر بخار آب، آمونیاک، اکسیدهای نیتروژن و دیگر گازهایی که نور فروسرخ را جذب می‌کنند مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین لیزر جدید می‌تواند در بررسی کیفیت هوا، تشخیص‌های پزشکی، امنیت زیستگاه‌ها و دیگر حوزه‌هایی که نیازمند آشکارسازی بسیار حساس مواد شیمیایی مختلف است، کاربرد داشته باشد. کشف جدید کمک خواهد کرد تا با کنار گذاشتن مکانیسم‌های رایج تولید لیزر، ابزارهای کوچک‌تر، حساس‌تر و با کارآیی بهتری بسازیم.
حامی این پژوهشگران، مرکز MIRTHE است که بودجه خود را از موسسه علوم ملی تامیین می‌کند. این مرکز همکاری پژوهشی گسترده‌ای را برای توسعه حسگرهای کوچک جهت آشکارسازی مسیر گازهای موجود در جو و مسیرهای تنفسی انسان انجام داده است. علاوه بر این شبکه آمورشی- تحقیقاتی ماری کوری وابسته به اتحادیه اروپا و برنامه فیزیک گسیلنده‌های نیمه‌رسانا از این تحقیق حمایت کرده‌اند.
نظر شما