العلماء يحولون خدعة ضوئية عمرها 200 عام إلى إنجاز حديث

أعطت تجربة ضوئية كلاسيكية عمرها 200 عام للعلماء طريقة جديدة بسيطة لإنشاء هياكل ضوئية غريبة يمكن أن تساعد في تشكيل مستقبل الحوسبة والضوئيات.

اكتشف العلماء في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة (NTU Singapore) طريقة أبسط بكثير لإنشاء هياكل ضوئية غير عادية ومستقرة تُعرف باسم “skyrmions الضوئية”.

تتضمن هذه التكوينات الصغيرة أنماطًا دوامية في خصائص الضوء. تمت مقارنة هيكلها بمسامير القنفذ الموجهة إلى الخارج.

وبدلاً من استخدام مواد باهظة الثمن وعالية الهندسة، أنتج الباحثون السكيرميونات عن طريق توجيه الليزر إلى قرص دائري صغير. يعتمد الإعداد على تأثير بصري كلاسيكي يسمى “بقعة بواسون”.

يمكن لهذا النهج أن يسهل على العلماء إنشاء وفحص وتعديل التقلبات الضوئية.

طريق أبسط إلى Skyrmions البصرية

أصبحت Skyrmions مجالًا مهمًا للبحث نظرًا لقدرتها على حمل المعلومات وتخزينها. وفي المستقبل، يمكنهم المساهمة في تقنيات تخزين البيانات والاتصالات والحوسبة الجديدة.

ونشرت النتائج في المجلة العلمية بصري. قاد البحث الأستاذ المساعد في نانيانغ Shen Yijie من كلية العلوم الفيزيائية والرياضية بجامعة NTU وكلية الهندسة الكهربائية والإلكترونية.

“الأمر اللافت للنظر هو أنه يمكن الآن إنشاء انعطافات ضوئية باستخدام تأثير بسيط حيث ينحني الضوء حول جسم ما، دون الاعتماد على تقنيات باهظة الثمن ومعقدة من صنع الإنسان. المواد الفوقية أو تقنيات متخصصة للغاية”، أوضح الأستاذ المساعد شين.

“وهذا يمكن أن يجعل الوصول إلى Skyrmions الضوئية أكثر سهولة للباحثين. ومن خلال خفض الحاجز التقني أمام إنشائها ودراستها، تفتح هذه الطريقة إمكانيات جديدة للعلماء لدراسة كيفية استخدامها في أبحاث البصريات والمواد والحوسبة المستقبلية.”

تحويل تأثير الضوء التاريخي إلى أداة حديثة

بقعة بواسون هي نقطة مضيئة تظهر في مركز الظل الناتج عن جسم دائري عندما تتم إضاءته بمصدر ضوء متماسك، مثل الليزر.

لعب التأثير دورًا مهمًا في الجدل الذي دار في أوائل القرن التاسع عشر حول طبيعة الضوء. كان العلماء يحاولون تحديد ما إذا كان الضوء ينتقل فقط في خطوط مستقيمة كجسيمات أم أنه يمكن أن ينحني وينتشر مثل الموجة.

تنبأت نظرية الموجة بأن نقطة مضيئة يجب أن تظهر في منتصف ظل القرص، على الرغم من أنه من المتوقع عادة أن تظل تلك المنطقة مظلمة. أصبح ظهور بقعة بواسون دليلاً تاريخيًا على حيود الضوء وسلوكه الموجي.

يحدث حيود الضوء عندما ينحني الضوء وينتشر أثناء مروره حول جسم ما أو تحركه عبر فتحة صغيرة.

أربعة أنماط Skyrmion في مجال ضوء واحد

اكتشف الباحثون أن نظام بقعة بواسون الخاص بهم يمكن أن يولد ما يصل إلى أربعة أنماط من المجال الطوبولوجي ذات الصلة في نفس الوقت.

كانت هذه سكيرميونز تدور، وسكيرميون ستوكس، وسكيرميون المجال الكهربائي، وسكيرميون المجال المغناطيسي. يشير الدوران إلى خصائص تشبه دوران الضوء، بينما تصف معلمات ستوكس الاستقطاب، مما يعني الاتجاه الذي تهتز فيه موجات الضوء أثناء تحركها.

هذا السلوك “أربعة في واحد” يمكن أن يمنح الباحثين طريقة جديدة لمقارنة كيفية تشكل وتغير وتفاعل التقلبات الضوئية المختلفة داخل مجال ضوئي واحد.

وفي عمليات المحاكاة الحاسوبية، ظهرت الهياكل على شكل ترتيبات دوامية للسهام. توضح هذه الأسهم كيف أن الخصائص المختلفة للضوء تغير اتجاهها عبر بقعة بواسون.

تشكيل خصائص الضوء

يمكن للعلماء التعامل مع العديد من ميزات الضوء، بما في ذلك شدته، ومرحلته، واستقطابه، ودورانه، ونواقل المجال الكهربائي والمغناطيسي.

كل من هذه الخصائص يمكن أن تنتج هياكل طوبولوجية مختلفة. يمكن أن تظل هذه الأنماط مستقرة حتى عندما تكون ممتدة أو مشوهة.

ومن خلال ضبط الظروف التي تشكل مجال الضوء، قد يتمكن الباحثون في النهاية من التحكم في حجم وشكل وسلوك السكيرميون بشكل أكثر دقة.

قال الأستاذ المساعد شين: “في بقعة الضوء التي أنشأناها، يمكن لعدة أنواع من النواقل الضوئية أن تشكل هياكل طوبولوجية في نفس الوقت. ترتبط هذه المكونات المختلفة للضوء بشكل وثيق، لكنها لا تشكل بالضرورة أنماط طوبولوجية متطابقة.

“إن القدرة على إنتاج ومقارنة عدة سكيرميونات ضمن نظام واحد يمكن أن تساعد الباحثين على اكتشاف روابط جديدة بين الخصائص الكهربائية والمغناطيسية وغيرها من الخصائص الفيزيائية للضوء.”

الاستخدامات المحتملة في الضوئيات والحوسبة

تم اقتراح Skyrmions لأول مرة في فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية. تم التحقيق فيها لاحقًا في فيزياء المادة المكثفة والمواد المغناطيسية قبل أن تصبح محورًا متزايدًا في الضوئيات، حيث تظهر كأنماط مستقرة تشبه الجسيمات داخل مجالات الضوء.

عادةً ما تكون الدراسات السابقة قد أنشأت سكيرميونات بصرية باستخدام مواد خارقة. وهي عبارة عن هياكل صغيرة الحجم مصممة صناعيًا يمكنها التعامل مع الضوء بطرق لا تستطيع المواد العادية القيام بها.

توفر النتائج الجديدة أساسًا لمزيد من البحث في الضوء الطوبولوجي. وبمرور الوقت، يمكن أن يساهم هذا العمل في التقدم في مجال الضوئيات، والمواد المتقدمة، ومعالجة المعلومات، والحوسبة.

المرجع: “skyrmions البصرية في بقع بواسون” بقلم جون ياو، شي شيه، يوان مينج، شنغ صن، جون هو، ييجي شين ويوانجي يانغ، 19 يونيو 2026، بصري.
دوى: 10.1364/أوبتيكا.591840

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