كيفية التقاط الضوء والاحتفاظ به في الفراغ: كشف العلماء عن سر تجاويف Mi

في عام 2023، أظهر العلماء الألمان كيفية احتجاز الضوء في التجاويف الدقيقة الضوئية، أو التجاويف Mi. في هذه الحالة، تعمل بمثابة رنان حيث يتم “تخزين” موجة الضوء. قرر فريق الفيزياء والتكنولوجيا وزملاؤهم من الصين المضي قدمًا ومعرفة ما يمكن أن يحدث إذا امتلأت التجاويف بمواد ماصة أو إذا أصبحت البيئة مشتتة (مع معامل انكسار مرتفع). تم نشر العمل في مجلة Nanophotonics. يقول دينيس بارانوف، رئيس مختبر الضوئيات النانوية المتقدمة والمواد الكمومية في مركز الضوئيات والمواد ثنائية الأبعاد: “لقد أخذنا في الاعتبار ثلاث حالات: تجويف فارغ في وسط شفاف، تجويف مملوء بمادة رنانة، وتجويف فارغ داخل مادة مشتتة. وتبين أنه في الحالة الأخيرة، تشكل الفوتونات والإكسيتونات أشباه جسيمات هجينة – بولاريتونات – ويمكن أن يزيد عمر الضوء في التجويف بشكل كبير”. MIPT. البولاريتونات هي أشباه جسيمات هجينة تنشأ عندما يقترن الفوتون بقوة بإثارة في الوسط، مثل الإكسيتون. في الرنان التقليدي، كلما زاد عامل الجودة – أي كلما قلت الطاقة الضوئية التي يرسلها إلى الخارج – كلما بقي الضوء في الداخل لفترة أطول. في تجاويف Mi، تحول كل شيء إلى العكس، ولكن لسبب مختلف. لا تحدث الزيادة في عمر الفوتون بسبب الخصائص الخاصة للتجويف، ولكن بسبب تفاعله مع إكسيتون من البيئة الخارجية. يمكن أن يوجد الإكسيتون لفترة أطول بكثير من الفوتون، وبالتالي فإن البولاريتون الذي يتكون نتيجة اقترانهما يتمتع بعمر طويل. بفضل هذا، يمكنه البقاء في تجويف Mi لفترة أطول. حصل الباحثون على صيغ تحليلية لعامل جودة تجاويف مي وحددوا معاملات حدوث الاقتران القوي – تلك الحالة التي تتمكن فيها الطاقة من الانتقال بين المادة والضوء بشكل أسرع من تبددها. كان الاكتشاف غير المتوقع هو تكوين فجوات البولاريتون – وهي مناطق محظورة حيث لا يمكن للضوء أن ينتشر. وتتشكل في تجاويف Mi فارغة محاطة بوسيط ماص وتنمو بسرعة مع زيادة حجم التجويف. قد تكون هذه الظاهرة مفيدة لإنشاء محددات أو مفاتيح بصرية. وأضاف دينيس بارانوف: “لقد أظهرنا أن تجاويف مي يمكنها أن تحل في الوقت نفسه اثنتين من المشاكل الرئيسية للضوئيات النانوية الحديثة: الخسائر العالية وتعقيد التصنيع. والمنصات المبنية عليها ستجعل من الممكن إنشاء أنظمة بولاريتون مقترنة بقوة دون مرايا باهظة الثمن وتقنيات نانوية بلازمية”. لقد تم بالفعل تطوير تقنية إنتاج تجاويف Mi: فهي مقطوعة في السيليكون باستخدام شعاع أيوني مركّز. وهذا يعني أن نتائج العمل يمكن أن تنتقل بسرعة من النظرية إلى التجربة ومن ثم إلى أجهزة الضوئيات النانوية الحقيقية، مثل أجهزة الاستشعار الحيوية فائقة الحساسية وأجهزة الكشف وعناصر الخلايا الشمسية.