يمكن لسطح السيليكون الرقيق للغاية توجيه الضوء وإعادة تشكيله خلال 74 فيمتوثانية فقط، مما يفتح الطريق نحو جيل جديد من التكنولوجيا البصرية عالية السرعة.
يمكن لنبضة من الضوء أن تعبر عرض شعرة الإنسان في حوالي 74 فمتوثانية. وفي نفس تلك الفترة القصيرة جدًا، يمكن لجهاز جديد تم تطويره في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) تغيير اتجاه وشكل شعاع ضوء آخر.
يمكن أن تشير التكنولوجيا التجريبية إلى أنظمة بصرية تستجيب بشكل أسرع بكثير من أجهزة توجيه الشعاع الحالية. يعد هذا التحكم مهمًا في الكاميرات وأجهزة الاستشعار وشبكات الاتصالات والأدوات العلمية والأشكال الناشئة من الحوسبة الضوئية.
معظم المعدات المستخدمة لمعالجة الضوء لا تستطيع مواكبة الضوء نفسه. قد تحتاج المرايا إلى الدوران، أو يجب إعادة ترتيب البلورات السائلة، أو يجب أن تغير الإشارات الإلكترونية خصائص المادة. وحتى عندما تعتبر هذه العمليات سريعة بالمعايير العادية، فإنها يمكن أن تكون بطيئة مقارنة بالمقاييس الزمنية الأساسية للضوء.
لقد أثبت الباحثون الآن سطحًا فائق الرقة يمكنه توجيه الضوء وإعادة تشكيله خلال 74 فيمتوثانية فقط، أو 74 كوادريليون جزء من الثانية. ونشرت النتائج في تكنولوجيا النانو الطبيعة.
كيف يعمل سطح السيليكون
تم تنفيذ العمل في مختبر البروفيسور هاري أتواتر في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. قاد البحث الدكتور كلاوديو هايل، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. وكان الدكتور ليئور ميخائيلي، وهو الآن رئيس مختبر الميكانيكا البصرية في كلية فليشمان للهندسة بجامعة تل أبيب، مؤلفًا مشاركًا.
الجهاز عبارة عن سطح خارق، وهو عبارة عن طبقة بصرية رقيقة منقوشة بهياكل أصغر من الطول الموجي للضوء. على عكس العدسة التقليدية، التي تغير الشعاع أثناء انتقاله عبر الزجاج المنحني، يمكن للسطح الخارق أن يغير الضوء باستخدام ميزات نانوية مرتبة بعناية عبر سطح مستو تقريبًا.
في هذه الحالة، يحتوي السطح على هياكل سيليكون صغيرة مصممة لاحتجاز الضوء وتركيزه لفترة وجيزة. يعمل هذا التصميم الرنان على تكثيف التفاعل بين الضوء الوارد والسيليكون.
تعمل نبضة تحكم قصيرة على تغيير الخصائص البصرية للسيليكون من خلال ظاهرة تعرف باسم تأثير كير البصري. في ظل هذا التأثير، يغير الضوء المكثف لفترة وجيزة معامل انكسار المادة، والذي يحدد كيفية انتقال الضوء عبرها.
يمكن أن يحدث تأثير كير في أقل من الفيمتو ثانية، لكنه عادة ما يكون أضعف من أن يؤدي إلى نتيجة مفيدة. تغلب الباحثون على هذه المشكلة من خلال تصميم سطح سطحي عالي الجودة يعمل على تضخيم التفاعل. سمح هذا لنبضة ضوئية واحدة بالتحكم في نبضة أخرى دون حركة ميكانيكية أو تغييرات أبطأ تتضمن حاملات شحنة مثارة.
توجيه وتشكيل الشعاع القابل للبرمجة
يقول الدكتور هيل: “كانت الفكرة الأساسية هي إنشاء سطح خارق لا يتم إصلاح استجابته البصرية بمجرد تصنيعه”. “من خلال تغيير نمط الإضاءة، يمكننا إعادة تشكيل كيفية توجيه الجهاز للضوء وتشكيله والقيام بذلك على نطاق زمني فائق السرعة.”
وخلال الاختبارات المعملية، أعاد الفريق توجيه شعاع الضوء بما يصل إلى 13 درجة إلى كلا الجانبين. وتمكن الباحثون من تحديد الاتجاه عن طريق تغيير النمط المكاني لنبض التحكم.
كما استخدموا نفس الأسلوب لإعادة تشكيل الشعاع الصادر وإنتاج أنماط ضوئية مختلفة. وبدلاً من تصميم السطح بشكل دائم لمهمة واحدة، يمكن إعادة برمجة السطح من خلال الإضاءة.
يوضح البروفيسور أتواتر: “عادةً ما يتفاعل الضوء بشكل ضعيف مع المادة، لذا فإن التحكم في شعاع واحد من الضوء مع آخر يعد أمرًا صعبًا للغاية. ويعزز السطح الخارق هذا التفاعل، مما يسمح لاستجابة مادية صغيرة جدًا وسريعة جدًا بإحداث تغيير مفيد في الشعاع الصادر”.
تبديل أسرع بدون أجزاء متحركة
يقول الدكتور ميكايلي: “بالنسبة لي، الجانب الأكثر إثارة هو رؤية الفكرة التي كانت معنا لسنوات تصبح حقيقة تجريبية”. “إن التأثير فائق السرعة الذي أردنا استخدامه ضعيف جدًا بطبيعة الحال. وكان علينا تصميم السطح الخارق بحيث يؤدي إلى تضخيم التأثير بما يكفي ليس فقط لقياسه، بل لاستخدامه لتوجيه الضوء وتشكيله.”
كان وقت التبديل الملحوظ قريبًا من مدة نبضة الليزر المستخدمة في التجربة. يشير ذلك إلى أن السطح الخارق نفسه ربما لم يصل بعد إلى الحد الأقصى للسرعة الأساسية. من المحتمل أن تؤدي النبضات الأقصر إلى تحويل أسرع.
يتم أيضًا إعادة ضبط السطح بسرعة بعد اختفاء نبض التحكم. ونظرًا لأن تشغيله لا يعتمد على أجزاء متحركة أو شحنات كهربائية طويلة العمر، فيمكنه العودة على الفور تقريبًا إلى حالته البصرية الأصلية.
نحو الحوسبة والاتصالات البصرية كافة
تستخدم شبكات الاتصالات الحديثة بالفعل الضوء لنقل كميات هائلة من المعلومات. ومع ذلك، غالبًا ما يجب تحويل هذه المعلومات إلى إشارة كهربائية قبل معالجتها أو توجيهها أو تعديلها. ثم يتم تحويل النتيجة مرة أخرى إلى ضوء للنقل.
تضيف هذه التحويلات المتكررة تعقيدًا ويمكن أن تؤدي إلى تأخيرات وتكاليف طاقة. يمكن لجهاز قابل للبرمجة قادر على التعامل مع الضوء مباشرة أن يسمح في النهاية لبعض العمليات بالبقاء بصرية بالكامل.
يمكن أن تشمل الاستخدامات المحتملة أجهزة اتصالات قابلة لإعادة التشكيل بسرعة، وأنظمة تصوير مدمجة، وأجهزة استشعار متقدمة، وصور ثلاثية الأبعاد ديناميكية، ومعالجات ضوئية. تتم دراسة الأسطح النشطة كوسيلة للتحكم في خصائص مثل اتجاه الحزمة وكثافتها ومرحلتها واستقطابها والطيف على منصة مدمجة.
ويضيف الدكتور ميخائيلي: “يشير هذا العمل إلى فرصة أوسع: استخدام الهياكل الهندسية لتعزيز التفاعلات بين الضوء والمادة وتحويلها إلى أدوات للتحكم والاستشعار ومعالجة المعلومات. ويرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا باتجاهات البحث التي نتبعها الآن في جامعة تل أبيب”.
من العرض المختبري إلى تكنولوجيا المستقبل
ويؤكد الباحثون أن التجربة هي دليل على المبدأ، وليست مكونًا نهائيًا جاهزًا لاستبدال الأجهزة البصرية التقليدية.
ومع ذلك، توضح الدراسة أن المكونات البصرية لا يجب بالضرورة أن تظل الجزء البطيء من النظام المعتمد على الضوء. وباستخدام هياكل نانوية لتعزيز التأثير الجسدي الخافت، أظهر الباحثون أن شعاعًا واحدًا من الضوء يمكنه التحكم بسرعة وبرمجة في شعاع آخر.
المرجع: “توجيه شعاع بصري فائق السرعة وقابل لإعادة التشكيل وتعديل الضوء المكاني” بقلم كلاوديو يو. هايل، وليور ميكايلي، وهاري أ. أتواتر، 22 يونيو 2026، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-026-02199-ث
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
المصدر الأصلي:
scitechdaily.com
تاريخ النشر لدى المصدر:
2026-08-16 23:22:00
كاتب المصدر:
Tel-Aviv University
نُقل هذا المحتوى آلياً من المصدر المشار إليه أعلاه، وتبقى حقوق المحتوى والمعلومات
للمصدر الأصلي. قد يخضع النص لمعالجة أو ترجمة آلية قبل النشر.
