مجلة عالم التكنولوجيا
مجلة تكنولوجية شاملة

باحثون يكتشفون طريقة جديدة للتحكم في ضوء “الأشعة تحت الحمراء”


بدأ مجال الإلكترونيات في التغير خلال خمسينيات القرن العشرين، عندما تم استبدال الصمام المفرغ بالترانزستور ثم أجهزة الكمبيوتر المتقدمة. وكان هذا التغيير، الذي استتبع استبدال المكونات الكبيرة والبطيئة بمكونات صغيرة وسريعة، حافزًا للاتجاه الدائم المتمثل في تصغير تصميم الكمبيوتر.

ولكن، لم تحدث أي ثورة بعد في مجال البصريات بالأشعة تحت الحمراء، والتي لا تزال تعتمد على الأجزاء المتحركة الضخمة التي تحول دون بناء أنظمة صغيرة. وعلى الرغم من ذلك، فإن فريقًا من الباحثين في “معمل لينكولن ” في “معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا”، إلى جانب البروفيسور “جوجون هو” ومعه طلاب الدراسات العليا من قسم علوم وهندسة المواد في “معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا”، ابتكروا طريقة للتحكم في ضوء الأشعة تحت الحمراء باستخدام مواد تغيير الطور بدلًا من الأجزاء المتحركة، وهذه المواد لديها القدرة على تغيير خصائصها البصرية عند إضافة الطاقة إليها.

يقول “هو”: “هناك عدة طرق ممكنة يمكن لهذه المادة من خلالها تمكين الأجهزة الضوئية الجديدة التي تؤثر في حياة البشر. على سبيل المثال، يمكن أن تكون مفيدة للمفاتيح البصرية الموفرة للطاقة، والتي يمكنها تحسين سرعة الشبكة وتقليل استهلاك الطاقة في مراكز بيانات الإنترنت، كما يمكنها تمكين الأجهزة فوق الضوئية القابلة لإعادة التشكيل، مثل عدسات التكبير/التصغير بالأشعة تحت الحمراء المسطحة بدون أجزاء ميكانيكية متحركة. ويمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى أنظمة حوسبة جديدة؛ حيث يمكن أن تجعل تعلم الآلة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بالحلول الحالية”.

ومن الخصائص الأساسية لمواد تغيير الطور أنها تستطيع تغيير مدى سرعة انتقال الضوء خلالها (معامل الانكسار). يقول “جيفري تشو”؛ وهو عضو سابق في مجموعة (Advanced Materials and” (Microsystems Group”: “هناك بالفعل طرق لتعديل الضوء باستخدام تغيير معامل الانكسار، لكن مواد تغيير الطور يمكن أن تتغير بشكل أفضل بمقدار ألف مرة تقريبًا”.

ونجح الفريق في التحكم في ضوء الأشعة تحت الحمراء في أنظمة متعددة باستخدام فئة جديدة من مواد تغيير الطور التي تحتوي على عناصر: الجرمانيوم، والأنتيمون، والسيلينيوم، والتيلوريوم، والمعروفة باسم “GSST “. وتمت مناقشة هذا المشروع في ورقة نشرت في مجلة “Nature Communications” العلمية.

يحدث سحر مادة تغيير الطور في الروابط الكيميائية التي تربط ذراتها معًا. وفي حالة الطور الواحد، تكون المادة بلورية مع ترتيب ذراتها في نمط منظم، ويمكن تغيير هذه الحالة عن طريق تطبيق ارتفاع سريع في درجة الحرارة للطاقة الحرارية على المادة، ما يؤدي إلى انهيار الروابط في البلورة ثم إصلاحها في نمط أكثر عشوائية أو غير متبلور. ولتغيير المادة مرة أخرى إلى الحالة البلورية، يتم تطبيق نبض حراري طويل ومتوسط ​​من الطاقة الحرارية.

ويوضح “كريستوفر روبرتس”؛ عضو آخر في “معمل لينكولن” ومن ضمن أعضاء فريق البحث: “يتيح هذا التغيير في الروابط الكيميائية ظهور خواص بصرية مختلفة، على غرار الاختلافات بين الفحم (غير المتبلور) والماس (البلوري)، في حين أن كلتا المادتين من الكربون في الغالب، إلا إنهما يتمتعان بخصائص بصرية مختلفة إلى حد كبير”.

وحاليًا، تُستخدم مواد تغيير الطور في تطبيقات الصناعة، مثل تقنية: Blu-ray وأقراص DVD القابلة لإعادة الكتابة؛ لأن خصائصها مفيدة لتخزين كمية كبيرة من المعلومات ومحوها. لكن حتى الآن، لم يستخدمها أحد في بصريات الأشعة تحت الحمراء؛ لأنها تميل إلى أن تكون شفافة في حالة واحدة ومعتمة في الحالة الأخرى.

وعلى الرغم من ذلك، وجد فريق البحث أنه من خلال إضافة عنصر السيلينيوم إلى المادة الأصلية التي تسمى (GST)، انخفض امتصاص المادة لضوء الأشعة تحت الحمراء في الطور البلوري انخفاضًا كبيرًا في جوهره، وتغييره من مادة غير شبيهة بالفحم إلى مادة تشبه الماس، بل وجدوا ما هو أكثر من ذلك، وهو الفرق الكبير في معامل الانكسار للحالتين والذي يؤثر في انتشار الضوء من خلالهما.

ويشير “روبرتس” إلى أن هذا التغيير في معامل الانكسار دون إدخال الفقد البصري، يسمح بتصميم أجهزة تتحكم في ضوء الأشعة تحت الحمراء دون الحاجة إلى الأجزاء الميكانيكية.

على سبيل المثال، تخيل شعاع الليزر الذي يشير في اتجاه واحد ويجب تغييره إلى اتجاه آخر. في الأنظمة الحالية، يقوم انحراف ميكانيكي كبير بتحريك العدسة ماديًا لتوجيه الحزمة إلى موضع آخر، ولكن إذا تم تطبيق هذه الدراسة ستكون العدسة ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من (GSST) قادرة على تغيير أوضاعها عن طريق إعادة برمجة مواد تغيير الطور كهربائيًا؛ ما يتيح توجيه الحزمة بدون أجزاء متحركة.

واختبر الفريق بالفعل المواد بنجاح في عدسة متحركة، وأثبتوا أيضًا استخدامه في التصوير الفائق بالأشعة تحت الحمراء، والذي يستخدم لتحليل الصور للأشياء المخفية أو المعلومات، وفي مصراع ضوئي سريع كان قادرًا على إغلاقه في الثانية بالنانو.

تم تم دعم هذه الدراسة بتمويل من مكتب تكنولوجيا معمل لنكولن، ووكالة مشاريع البحوث المتقدمة للدفاع الأمريكي.

إن الاستخدامات المحتملة لـ (GSST) واسعة، والهدف النهائي للفريق هو تصميم رقائق ضوئية وعدسات ومرشحات قابلة لإعادة التشكيل، والتي يجب إعادة بناؤها حاليًا من نقطة الصفر في كل مرة يتطلب فيها التغيير. وبمجرد أن يكون الفريق مستعدًا لنقل المواد إلى ما بعد مرحلة البحث، يجب أن يكون من السهل إلى حد ما نقلها إلى الأسواق التجارية.

وفي الآونة الأخيرة، حصل “معمل لنكولن” على قاعة تفكك اندماجي، وبها آلة حديثة تسمح للباحثين بإنشاء مواد مخصصة من عناصر فردية، وسوف يستخدم الفريق هذه القاعة لتحسين المواد وسرعات التبديل، وكذلك لتطبيقات الطاقة المنخفضة، وهم يخططون أيضًا لتجربة مواد أخرى قد تكون مفيدة في التحكم في الإضاءة المرئية.


المصدر: MIT News: Researchers discover a new way to control infrared light


بعد قراءة الموضوع يمكنك معرفة المزيد عن الكلمات الآتية:


5G Apple Google iPhone oppo آبل آيفون أبل أمازون أمن المعلومات أندرويد إنترنت الأشياء إيلون ماسك الأمن السيبراني الإنترنت البطارية البيانات التكنولوجيا الذكاء الاصطناعي الروبوتات الزراعة السيارات الكهربائية الصين الطاقة الفضاء المدن الذكية المملكة المملكة العربية السعودية الهواتف الذكية تطبيق تطبيقات تقنية تويتر جوجل سامسونج سيارة عالم التكنولوجيا فيروس كورونا فيسبوك كاسبرسكي كورونا مايكروسوفت ناسا هاتف هواوي


الرابط المختصر :
close

مرحبا 👋

سعداء بالتواصل معكم
قم بالتسجيل ليصلك كل جديد

نحن لا نرسل البريد العشوائي! اقرأ سياسة الخصوصية الخاصة بنا لمزيد من المعلومات.

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.