۰ نفر
۶ آبان ۱۳۸۸ - ۰۶:۱۹

برای اولین بار کریستالی نوری مکانیکی از سیلیکون ساخته شده که حوزه مطالعاتی جدیدی برای توسعه تراشه‌های رایانه‌ای، حس‌گرهای زیستی و حتی دیدن اثرات کوانتومی ایجاد خواهد کرد.

بهنوش خرم‌روز: برای اولین بار، نور و ارتعاش مکانیکی یک جا با هم گیر افتاده‌اند. یک کریستال مصنوعی که توانسته این رو با هم گیر بیاندازد، ممکن است به یک حس‌گر زیستی بسیار حساس منتهی شود که می‌تواند روی یک تراشه قرار گیرد و واسطی برای ابزارهای دیگر شود و نیز یک سیستم خنک‌کننده کارامد برای کمک به آزمایش محدودیت‌های کوانتوم فراهم ‌آورد.

به گزارش نیچر، صنعت مخابرات مدت طولانی از موادی با الگوی خاص به نام کریستال فوتونیک برای هدایت نور درون کابل‌های نوری استفاده می‌کرده است. ساختارهای مشابهی تحت عنوان کریستال فونونیک لرزش‌های مکانیکی را ایجاد می‌کند که برای مثال در گوشی‌های همراه برای حذف فرکانس‌های ناخواسته از آن‌ها استفاده می‌گردد. حالا اسکار پینتر در موسسه فناوری کالیفرنیا، کالتک به اتفاق همکارانش یک کریستال نوری- مکانیکی ساخته است که این دو قابلیت کنترل،‌ یعنی هدایت و گیر انداختن نور و لرزش‌های مکانیکی را یک‌جا جمع کرده است.

با این که کریستال‌های فوتونیک و فونونیک کاربردهای متفاوتی دارند، اما به گفته پینتر ساختارهایشان بسیار به هم شبیه است. وی می‌گوید: «اگر یکی از این کریستال‌ها را بسازید، به طور خودکار کریستال دیگر را هم ساخته‌اید. این که تاکنون از این مسئله استفاده نشده، به این دلیل بوده که ارتعاشاتی که در کریستال‌هایی با اندازه‌ای که معمولا در صنعت نور به کار می‌رود ایجاد می‌شود، معمولا بسیار خفیف هستند و به سختی تشخیص داده می‌شوند.»

این گروه کریستال‌های خود را از یک باریکه بلند 10 میکرومتری سیلیکون ایجاد کردند و با قلم زدن بخش‌های مستطیلی، یک توالی مانند یک ریل کوچک به دست آوردند. شبیه‌سازی رایانه‌ای نشان داد که امواج نوری که در طول این توالی می‌گذرند باید در هر سرحد آن، تا حدی منعکس شوند. با وجود این‌که باز هم در نهایت اغلب طول‌موج‌ها از آن عبور می‌کردند، تداخل بین نوری که رو به جلو حرکت می‌کند و نور بازتاب شده، با طول‌موج‌هایی که مضربی از فاصله بین ریل‌ها هستند، نور مرکز توالی را به اصطلاح قفل می‌کنند. در همین زمان، ارتعاشات مکانیکی با همان طول‌موج گیر می‌افتند و ریل‌های مرکزی توالی به جلو و عقب به نوسان در می‌آید.

به عقب جستن
گروه پینتر آزمایش کرد که در مورد شلیک لیزر با فرکانس‌های مختلف درون کریستالشان هم همین اتفاق بیافتد. در اغلب موارد، ‌همه نور لیزر به سر دیگر کریستال انتقال می‌یافت. اما در فرکانس‌های تشدید شده خاصی، متوجه افتی در انتقال شدند که نشان می‌داد بخشی از نور درون کریستال گیر افتاده است. برای این که بفهمند این نور کم شده کجا جمع شده است، ریل سیلیکونی را با یک مدرج شیشه‌ای مورد کاوش قرار دادند و دریافتند که نور از مرکز توالی منتشر می‌شود.

برای این که دریابند آیا مرکز توالی ارتعاش هم دارد، آزمایش کردند که انتقال نورهای متفاوت در طیف کمی از فرکانس لیزر پایین‌تر از تشدید چگونه است. پینتر در این باره می‌گوید: « انتقال به شدت دچار نوسان بود چون ارتعاش کریستال روی انتقال نور اثر می‌گذاشت.»

مارکو لانسر،‌ فیزیکدان متخصص نور در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد در مورد نتایج می‌گوید: « شگفت‌انگیز و تاثیرگذار بودند. این یک آزمایش ساده نیست. من به طور شهودی انتظار نداشتم که این کریستال‌ها آن‌قدر شدید به لرزه در بیایند که بتوان ارتعاشات را از این طریق گرفت.»

این واقعیت که گروه پینتر کریستال نوری- مکانیکی خود را از جنس سیلیکون ساخته، ‌می‌تواند معنایی ضمنی برای صنعت رایانه داشته باشد. فلوریان مارکارد،‌ متخصص مکانیک نوری در دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان واقع در مونیخ آلمان می‌گوید: «برای اولین بار می‌توانیم در مورد مدارهای نوری- مکانیکی صحبت کنیم. من می‌توانم در ذهنم تراشه‌هایی را مجسم کنم که از این کریستال ساخته شده باشند.»

پل کوانتوم
پینتر معتقد است که یکی از کاربردهای اصلی این کریستال در آینده در جهت ایجاد پلی بین انواع مختلف پردازشگر‌های رایانه‌ای- کوانتومی روی تراشه‌ها خواهد بود. وی در این باره می‌گوید: «در حال حاضر سیستم‌های رایانه‌ای کوانتومی خلاهای بسیاری دارد، برخی به اتم‌ها برمی‌گردد، برخی دیگر به فوتون‌ها و ابررساناها. اما نمی‌توان این آزمایش‌ها را در کنار یکدیگر قرار داد چون آن‌ها باید با نورهایی از فرکانس‌های بسیار متفاوت به هم متصل شوند.»

بنا به توضیح پینتر، کریستال‌های مکانیکی- نوری راهی برای نسخه‌برداری از اطلاعات کوانتومی که از یک نوع پردازشگر کوانتومی با نور منتقل می‌شود به ارتعاشات را دارد که بعد می‌تواند باز برای ارسال به یک پردازشگر دیگر به نوری با فرکانسی متفاوت برگردانده شود. وی می‌افزاید: «من فکر می‌کنم این کریستال‌ها واسطه‌های ایده‌آلی در سیستم‌های کوانتومی چندگانه باشد.»

این واقعیت که نور در فرکانس‌های پایین‌تر از تشدید بسیار به ارتعاشات کریستال حساس است نیز می‌تواند در حس‌گرهای زیستی حساسی که می‌توانند توالی دی.ان.ای یا عوامل بیماری‌زای خطرناک را تشخیص دهند، به کار آید.

آدریان یونسکو،‌ متخصص حس‌گرهای توده‌ای در موسسه فدرال سوییس در لوزان(ای‌.پی.‌اف.‌ال) معتقد است که می‌توان از این کریستال‌ها برای ایجاد راه‌هایی برای تشخیص هر مولکول گاز در زمان واقعی استفاده کرد که فراتر از محدودیت‌های هر دستگاه حس‌گر گازی موجود خواهد بود. وی می‌گوید: «این یک حوزه جالب مطالعاتی است که پتانسیل بالایی برای ابداع وسایل کاربردی حسی خواهد داشت.»

پینتر همچنین امیدوار است که از این فناوری بتوان در حیطه‌های مرموزتری مثل دنیای کوانتوم استفاده کرد. همیشه در مورد این‌که چه طور اثرات کوانتومی در سیستم‌های به نسبت عظیم مکانیکی متشکل از میلیاردها اتم دوام می‌آورند کنجکاوی زیادی بوده است، ‌اما این ویژگی‌های ظریف کوانتوم اغلب با حرکت‌های نامنظم اتفاقی ناشی از گرمای صوتی پوشانده می‌شوند. تعاملات نوری درون کریستال‌های مکانیکی- نوری می‌تواند کمک کند که با فراهم آوردن یک سیستم خنک‌کننده ظریف، این مشکل را دور بزنیم.

پینتر می‌افزاید: « نور می‌تواند انرژی حرارتی درون یک سیستم را بیرون بکشد و آن انرژی را به نور تبدیل کند. استفاده از این امر برای دیدن این که آیا می‌توانیم تاثیرات کوانتومی را در یک حجم فیزیکی واقعی با اندازه‌ای که بتوانیم با آن در ارتباط باشیم ببینیم، ‌بسیار عالی خواهد بود.»

کد خبر 21815

برچسب‌ها

نظر شما

شما در حال پاسخ به نظر «» هستید.
7 + 10 =