هذه البلورة الغريبة تنحني الضوء بشكل لا مثيل له في الطبيعة

يمكن لهذه البلورة التي حطمت الأرقام القياسية أن تتحول من شبيهة بالمرآة إلى شبيهة بالزجاج، مما يفتح الباب أمام الرقائق الضوئية الصغيرة وشاشات الواقع المعزز والعدسات اللاصقة الذكية.

إن إنشاء تكنولوجيا يمكن ارتداؤها “غير مرئية” مثل العدسات اللاصقة الذكية ونظارات الواقع المعزز فائقة الدقة سوف يتطلب إعادة تفكير جذرية في كيفية بناء الأجهزة البصرية. بدلًا من الاعتماد على المكونات التقليدية الضخمة، يبحث الباحثون عن مواد يمكنها التعامل مع الضوء على المستوى الذري.

حدد فريق من شركة XPANCEO، بالتعاون مع علماء من جامعة سنغافورة الوطنية وجامعة الكيمياء والتكنولوجيا في براغ، خصائص رائعة في بلورة ذات طبقات تسمى أوكسي كلوريد الموليبدينوم (MoOCl)₂). النتائج التي توصلوا إليها، والتي نشرت في مجلة Nano Letters، يمكن أن تساعد في تمهيد الطريق لتقنيات بصرية أصغر بشكل كبير.

كريستال يتصرف مثل المعدن والزجاج

أنتج الباحثون أول خريطة تجريبية كاملة لـ MoOCl₂الخصائص البصرية ووجدت أنها تظهر أقوى تأثير لانحناء الضوء تم قياسه على الإطلاق في مادة طبيعية.

ما يجعل البلورة غير عادية بشكل خاص هو أن سلوكها يتغير اعتمادًا على كيفية توجيهها. في اتجاه واحد، يعكس الضوء مثل المعدن. قم بتدويرها بمقدار 90 درجة، وتصبح شفافة مثل الزجاج.

يصف العلماء هذا السلوك بأنه تباين بصري شديد. تختلف استجابة البلورة للضوء بشكل كبير حسب الاتجاه. مع قيمة انكسار مزدوج داخل الطائرة تبلغ حوالي 2.2 MoOCl₂ يمكنه تقسيم الضوء وإعادة توجيهه بكفاءة استثنائية.

بالنسبة للمطورين الذين يعملون على شاشات يمكن ارتداؤها، تعتبر هذه الإمكانية جذابة بشكل خاص. وتشير هذه النظرية إلى أن الوظائف البصرية التي تؤديها حاليًا مكونات أكبر يمكن تحقيقها يومًا ما باستخدام مواد أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان.

قدرة نادرة على إبطاء الضوء

اكتشف الفريق أيضًا نقطة إبسيلون نادرة قريبة من الصفر عند 512 نانومتر (الضوء الأخضر).

عند هذا الطول الموجي المحدد، يقع جزء من الاستجابة البصرية للمادة بالقرب من الصفر. ونتيجة لذلك، يتباطأ الضوء بشكل فعال داخل البلورة بينما يصبح المجال الكهربائي الداخلي أقوى بكثير.

يمكن لهذا التأثير أن يعزز بشكل كبير التفاعلات بين الضوء والمادة، وهي ميزة للرقائق الضوئية المدمجة التي تعالج المعلومات باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء. يمكن للتفاعلات الأقوى أن تتيح معالجة أسرع للبيانات مع استهلاك طاقة أقل.

لماذا يهتم الفيزيائيون بـ MoOCl؟₂

لقد كان الباحثون يدرسون MoOCl₂ لعدة سنوات بسبب هيكلها الإلكتروني غير العادي.

وتصنف المادة على أنها “معدن سيء” وتحتوي على سلاسل أحادية البعد من ذرات الموليبدينوم. تسمح هذه السلاسل للإلكترونات بالتحرك بسهولة أكبر في اتجاه واحد أكثر من الآخر. ونتيجة لذلك، تتصرف البلورة كمعدن على طول محور واحد وكمادة عازلة على طول المحور العمودي.

هذا المزيج غير العادي يعطي MoOCl₂ لها تباين قوي بشكل استثنائي.

الدراسات السابقة المنشورة في علوم و اتصالات الطبيعة لقد كشفت بالفعل أن البلورة يمكن أن تدعم موجات ضوئية محصورة بإحكام تسمى بولاريتونات البلازمون الزائدية. وأظهرت تلك التجارب أن الضوء يمكن أن ينتقل عبر المادة بطرق اتجاهية وغير متوقعة.

ومع ذلك، كان هناك جزء مهم من اللغز لا يزال مفقودا. وقد تمكن العلماء من ملاحظة هذه التأثيرات، لكنهم لم يقيسوا بشكل مباشر الثوابت البصرية الأساسية المسؤولة عنها. وبدون تلك القياسات، ظل تصميم الأجهزة العملية أمرًا صعبًا.

سلوك ENZ في الضوء المرئي يفتح إمكانيات جديدة

الدراسة الجديدة تسد هذه الفجوة.

وأكدت القياسات أنه بالقرب من 512 نانومتر في الجزء الأخضر من الطيف المرئي، يقترب أحد مكونات الاستجابة البصرية للمادة من الصفر. تسمح نقطة الضوء المرئي هذه بالقرب من الصفر، أو ENZ، للطاقة الكهرومغناطيسية بالتركيز بدرجة عالية داخل البلورة، مما يزيد من تفاعلات الضوء والمادة.

تصل العديد من المواد إلى ظروف ENZ فقط في المناطق العميقة فوق البنفسجية أو تحت الحمراء المتوسطة. MoOCl2 غير عادي لأنه يفعل ذلك في الطيف المرئي، حيث تعمل بالفعل العديد من أجهزة الليزر والمجاهر والكاميرات وتقنيات الاستشعار الموجودة.

قال الدكتور فالنتين فولكوف، المؤسس والمدير التنفيذي للتكنولوجيا في شركة XPANCEO والمؤلف المقابل للدراسة: “إن مراقبة الظاهرة هي الخطوة الأولى، لكن الهندسة تتطلب أرقامًا دقيقة”. “من خلال القياس الدقيق للموتر العازل الكامل لـ MoOCl₂، يوفر عملنا الأساس التجريبي اللازم لفهم سبب تصرف هذه المادة بالطريقة التي تعمل بها وللتصميم حولها بثقة أكبر. وهذا يجعلها نتيجة علمية قيمة في هذا المجال، مع احتمالية أهميتها عبر بصريات الاستقطاب المدمجة، والأجهزة غير الخطية، وعلى المدى الطويل، الأنظمة المتكاملة المصغرة للغاية بما في ذلك العدسات اللاصقة الذكية.

تقليص الأجهزة البصرية على الرقائق

تسلط الخريطة البصرية التفصيلية الضوء أيضًا على كيفية قيام MoOCl₂ يمكن أن يساعد في تقليل حجم الأنظمة البصرية المستقبلية.

بسبب تباينها الهيكلي الشديد، تعمل البلورة بشكل طبيعي كوسيط زائدي. من الناحية العملية، يسمح هذا للضوء بالانتقال عبر المادة في اتجاه عالٍ مقياس النانو الأشعة دون حيود (أو تشتت)، وهي ميزة أساسية لبناء دوائر بصرية أصغر.

إن قدرتها على العمل في النطاق المرئي تزيد من جاذبيتها للرقائق الضوئية المدمجة، حيث يجب توجيه الضوء وتصفيته وتركيزه في مساحات صغيرة للغاية.

ويشير الباحثون إلى العديد من التطبيقات المحتملة. وتشمل هذه الأجهزة مستقطبات النطاق العريض فائقة الدقة التي تتحكم في اتجاه الضوء في الأجهزة الضوئية المدمجة، بالإضافة إلى أدلة موجية فرعية قادرة على توجيه الضوء عبر مساحات أصغر مما تسمح به البصريات التقليدية.

ويمكن لهذه المادة أيضًا أن تطور علم الضوئيات النانوية غير الخطية، وهو مجال يستخدم تفاعلات مكثفة بين الضوء والمادة لتوليد ألوان جديدة من الضوء ومعالجة الإشارات الضوئية بكفاءة أكبر.

توفر النتائج مجتمعة أساسًا جديدًا لتصميم التقنيات البصرية فائقة الصغر وتجعل الأجهزة المستقبلية مثل العدسات اللاصقة الذكية وشاشات الواقع المعزز من الجيل التالي خطوة أقرب إلى الواقع.

المرجع: “التباين البصري العملاق والتردد المرئي إبسيلون بالقرب من الصفر في الزائدية فان دير فالس MoOCl2” بقلم جورجي إيرمولايف، أديليت توكسوماكوف، ألكسندر سلافيتش، أنطون مينخانوف، جليب تسيليكوف، أرسلان مازيتوف، إيفان كروجلوف، جليب تيخونوفسكي، ميخائيل ميرونوف، إيليا ب. رادكو، دميتري جرودينين، إيليا فرادكين، أندريه فيشنيفي، زدينيك سوفير، أليكسي أرسينين، كوستيا س. نوفوسيلوف، وفالنتين فولكوف، 16 مارس 2026، رسائل النانو.
دوى: 10.1021/acs.nanolett.5c06153

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.