ابتكر العلماء الروس ليزرًا ميكروليزرًا بحجم البكتيريا

الأشعة فوق البنفسجية العميقة هي جزء من نطاق الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي القصير جدًا، أقل من 300 نانومتر. مثل هذا الضوء غير مرئي للعين ولا ينير الفضاء بالمعنى المعتاد للإنسان. علاوة على ذلك، نظرًا للطاقة العالية للفوتونات، تمتص المادة الضوء فوق البنفسجي العميق جيدًا ويمكن أن يؤدي إلى تفاعلات كيميائية ضوئية. ولذلك، يتم استخدامه للمهام التكنولوجية: تحليل الغاز، والكشف عن المواد النشطة بيولوجيا، والتطهير، أو نقل البيانات عبر مسافات قصيرة. تحتوي المصادر التقليدية لمثل هذه الإشعاعات – مثل مصابيح الزئبق أو أشعة الليزر الغازية – على مواد سامة كما أنها كبيرة الحجم أيضًا. بالنسبة للعديد من التطبيقات، يعد هذا قيدًا: فكلما كان مصدر الضوء أصغر، كان من الأسهل دمجه في شريحة أو مستشعر أو أي جهاز صغير آخر. ومع ذلك، فإن إنشاء مثل هذا الليزر واحتجاز الضوء فيه أمر أكثر صعوبة: فالعيوب في المادة أو فقدان الإشعاع أو عدم الدقة في الشكل لها تأثير أكبر على تشغيل الجهاز الصغير. فريق دولي من العلماء من المدرسة العليا للاقتصاد في سانت بطرسبرغ، معهد الفيزياء. بي.آي. ستيبانوف ناس من بيلاروسيا، وجامعة تسيلو التكنولوجية، وكذلك المعهد الفيزيائي التقني الذي يحمل اسمه. قام AF Ioffe بتطوير أشعة ليزر مصغرة ذات طول موجي قصير على ركائز من الياقوت. تم نشر العمل في مجلة البصريات وتكنولوجيا الليزر. ليزر Microdisk على ركيزة من الياقوت. أعلاه عرض تخطيطي للجهاز بجوار البكتيريا لمقارنة الحجم؛ أسفل – صورة لليزر الميكروي المُصنع الذي تم الحصول عليه باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح / © ChatGPT مع تعديل المؤلف (أعلى)؛ صورة SEM لمؤلفي الدراسة (أدناه). “يستخدم الياقوت بالفعل على نطاق واسع في الإنتاج؛ فهو أرخص وأكثر سهولة من بعض البدائل. وفي الوقت نفسه، يمكنك العمل معه باستخدام أساليب مألوفة في الإلكترونيات الدقيقة: زراعة الطبقات، وتشكيل النمط، ونقش عناصر الجهاز. وهذا يفتح الطريق أمام إنشاء رقائق ضوئية مدمجة للتحليل الطيفي، وأجهزة الاستشعار الحيوية وأنظمة الاتصالات في نطاق الأشعة فوق البنفسجية،” يعلق أحد مؤلفي الدراسة، وهو باحث كبير في المختبر الدولي للإلكترونيات الضوئية الكمومية في جامعة كاليفورنيا. المدرسة العليا للاقتصاد، إدوارد مويسيف. قام الباحثون بتنمية طبقات رقيقة من أشباه الموصلات على الياقوت ثم استخدموا تقنيات التصنيع الدقيقة لتشكيلها في أقراص صغيرة يبلغ قطرها حوالي 2 ميكرومتر. في هذه الأقراص الصغيرة يتم احتجاز الضوء بواسطة تأثير المعرض الهامس ويتم تضخيمه في منطقة نشطة تحتوي على ثلاثة آبار كمومية. وكما ينتشر الصوت على طول جدار منحني في معرض، يتصرف الضوء في ليزر القرص الصغير: فهو ينعكس بشكل متكرر من حافة القرص و”يسير” على طول حافته. وهذا يسمح باحتواء الإشعاع داخل مرنان صغير جدًا بدون نظام معقد من المرايا. تعمل أشعة الليزر الناتجة في درجة حرارة الغرفة وتنبعث بطول موجة يبلغ حوالي 255 نانومتر. وفقًا للمؤلفين، يعد هذا واحدًا من أقصر تطبيقات الطول الموجي لأشعة الليزر ذات الأقراص الصغيرة مع أوضاع المعرض الهمسي على الياقوت. بالنسبة لأصغر جهاز، بقطر 2 ميكرومتر، كانت كثافة الطاقة العتبية حوالي 280 كيلووات لكل سنتيمتر مربع، وهو ما يتوافق مع أفضل النتائج في العالم لمثل هذه الأطوال الموجية القصيرة. “تعمل هذه الأجهزة حاليًا عن طريق الضخ البصري من ليزر خارجي، ولكن الخطوة التالية ستكون الانتقال إلى الضخ الكهربائي. من الناحية العملية، هذا أكثر ملاءمة، لأنه سيسمح باستخدام الليزرات الدقيقة في الأجهزة المحمولة الحقيقية، مما يلغي الحاجة إلى استخدام مصادر الضوء الخارجية الضخمة. للقيام بذلك، من الضروري تقليل المقاومة الكهربائية للطبقات، وضمان التوصيل الفعال للشحنات الكهربائية إلى المنطقة التي يحدث فيها إشعاع الليزر، وفي الوقت نفسه الحفاظ على الجودة العالية للكريستال”. وتظهر الدراسة أن الليزر فوق البنفسجي العميق يمكن تقليصه إلى حجم البكتيريا ويظل يعمل في درجة حرارة الغرفة. في المستقبل، يمكن استخدام هذه الليزرات الدقيقة في الأنظمة الطيفية، وأجهزة الاستشعار البيوكيميائية والغازية، وأجهزة الاتصال بالأشعة فوق البنفسجية – C، والرقائق الضوئية، حيث تكون هناك حاجة إلى مصدر مدمج للأشعة فوق البنفسجية العميقة.