فهرست مطالب
تیم پژوهشی دانشگاه رایس نشان داده است که نور می‌تواند ساختار نیمه‌رساناهای ژانوس را در مقیاس اتمی دگرگون کند و راه را برای فناوری‌های فوتونیکی قابل تنظیم هموار سازد.
به گزارش تکناک، دانشمندان دانشگاه رایس موفق به کشفی شگفت‌انگیز شده‌اند؛ پرتوهای نور قادرند اتم‌ها را در گونه‌ای از نیمه‌رساناهای فوق‌نازک، موسوم به «دیکالکوژنیدهای فلزات واسطه ژانوس»، جابه‌جا کنند.
این دستاورد، دریچه‌ای نو به‌سوی تنظیم دقیق مواد برای فناوری‌های نوری و کوانتومی نسل آینده می‌گشاید. این یافته، نگاهی نادر به تعامل نور و ماده در مقیاس اتمی ارائه می‌دهد. هنگامی که نور لیزر به این بلورهای ژانوس می‌تابد، فقط از آن عبور نمی‌کند؛ بلکه با نیرویی مکانیکی، اتم‌های درون ساختار را می‌فشارد و تقارن و رفتار نوری آن را دگرگون می‌سازد.
پدیده‌ای که «اپتواستریکشن» نام دارد، می‌تواند راه را برای ساخت تراشه‌های رایانه‌ای سریع‌تر و خنک‌تر هموار کند؛ تراشه‌هایی که به‌جای جریان برق، از خود نور بهره می‌گیرند. کونیان ژانگ، پژوهشگر دکترای دانشگاه رایس و نویسنده‌ی اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد: «در اپتیک غیرخطی، می‌توان نور را بازآفرینی کرد تا رنگ‌های تازه، پالس‌های سریع‌تر و کلیدهای نوری‌ای پدید آورد که سیگنال‌ها را در کسری از ثانیه روشن و خاموش می‌کنند.»
او می‌افزاید: «مواد دوبعدی با ضخامت تنها چند اتم، امکان ساخت این ابزارهای نوری را در مقیاسی به‌غایت کوچک فراهم می‌سازند.» مواد ژانوس زیرگروهی ویژه از دیکالکوژنیدهای فلزات واسطه‌اند که نام خود را از خدای دوچهره‌ی گذارها در اسطوره‌شناسی روم گرفته‌اند.
تفاوت ترکیب شیمیایی در لایه‌های بالایی و پایینی این بلورها، عدم تعادلی درونی ایجاد می‌کند که به آنها قطبیتی طبیعی می‌بخشد. این ساختار نامتقارن، حساسیت فوق‌العاده‌ای به نور، میدان‌های الکتریکی و فشار مکانیکی به این مواد می‌دهد و به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا رفتارشان را با دقتی بی‌سابقه تنظیم کنند که گامی بزرگ در مسیر آینده الکترونیک نوری محسوب می‌شود.
مهار اتم با بلورهای ژانوس
دانشمندان دانشگاه رایس با استفاده از لیزرهایی در رنگ‌های گوناگون، واکنش ماده‌ای دوبل از نوع ژانوس را بررسی کردند؛ ساختاری از «مولیبدن-سولفور-سلنید» که بر لایه‌ای از «مولیبدن دی‌سولفید» قرار گرفته بود. این پژوهش از پدیده‌ای به نام «تولید هارمونیک دوم» یا SHG بهره می‌گرفت؛ فرآیندی که در آن ماده نوری با دو برابر فرکانس پرتو تابیده‌شده گسیل می‌کند.
آنها دریافتند هنگامی که فرکانس نور ورودی با فرکانس‌های طبیعی ماده هم‌رزونانس می‌شود، الگوی نور بازتابی دچار اعوجاج می‌گردد؛ نشانه‌ای از آن‌که اتم‌ها درون بلور جابه‌جا شده‌اند. به گفته‌ی کونیان ژانگ، پژوهشگر اصلی این طرح: «تابش نور بر مولیبدن-سولفور-سلنید و مولیبدن دی‌سولفید نیروهای میکروسکوپی و جهت‌داری درون ساختار پدید می‌آورد که در تغییر الگوی SHG قابل مشاهده است.»
در شرایط عادی، الگوی SHG به شکل گل شش‌پر دیده می‌شود که بازتابی از تقارن بلوری ماده است؛ اما زمانی که نور اتم‌ها را می‌فشارد، «این تقارن از میان می‌رود و گلبرگ‌ها به‌طور نامنظم جمع می‌شوند.» پژوهشگران سرچشمه این پدیده را اپتواستریکشن می‌دانند؛ جایی که میدان الکترومغناطیسی نور، نیروی مکانیکی ظریف اما قابل اندازه‌گیری‌ای بر اتم‌ها اعمال می‌کند. در مواد ژانوس، ترکیب ناهمگون لایه‌ها سبب می‌شود این نیرو تقویت شود؛ پیوند قوی میان لایه‌ها اثر فشار نوری را تشدید کرده و این مواد را به بستری بی‌نظیر برای مطالعه و مهار حرکت اتمی با نیروی نور تبدیل می‌کند.
آینده روشن است
به گفته‌ی ژانگ، «مواد ژانوس به‌دلیل ترکیب ناهمگون خود، پیوندی تقویت‌شده میان لایه‌ها ایجاد می‌کنند که حساسیت آنها را نسبت به نیروهای فوق‌العاده ضعیف نور افزایش می‌دهد؛ نیروهایی آن‌چنان ظریف که اندازه‌گیری مستقیمشان تقریبا ناممکن است، اما می‌توان از تغییر در الگوی سیگنال SHG به وجودشان پی برد.» این حساسیت استثنایی می‌تواند راه را برای ساخت تراشه‌های نوری هموار کند؛ تراشه‌هایی که به‌جای الکترون‌ها، فوتون‌ها را برای انتقال و پردازش داده‌ها به کار می‌گیرند و بازده انرژی را به‌طور چشمگیری ارتقا می‌دهند.
شِنگ‌شی هوانگ، استاد مهندسی برق و رایانه در دانشگاه رایس، توضیح می‌دهد: «چنین کنترل فعالی می‌تواند در طراحی نسل آینده‌ی تراشه‌های فوتونیکی، حسگرهای فوق‌حساس و منابع نوری کوانتومی نقشی کلیدی داشته باشد؛ فناوری‌هایی که به‌جای تکیه بر جریان برق، از نور برای انتقال و پردازش اطلاعات بهره می‌برند.»
پژوهش تازه دانشگاه رایس نشان می‌دهد که نور می‌تواند به‌معنای واقعی اتم‌ها را در نیمه‌رساناهای دوبعدی به حرکت درآورد. کشفی که دروازه‌ای تازه به‌سوی دنیای مواد هوشمند، قابل تنظیم و پاسخ‌گو به نور می‌گشاید؛ موادی که می‌توانند آینده‌ی محاسبات و فناوری حسگرها را، فوتون به فوتون، بازآفرینی کنند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی ACS Nano منتشر شده است.
