ایالات متحده سطوح متایی ایجاد کرده است که قابلیت کنترلی بی‌سابقه‌ای بر نور دارند
پژوهشگران مرکز تحقیقات علوم پیشرفته (ASRC) دانشگاه شهری نیویورک (CUNY) نشان داده‌اند که سطوح متایی می‌توانند پرتوهای حرارتی را که به‌طور دقیق کنترل شده‌اند، تولید کنند. این دستیابی امکان ایجاد نسل جدیدی از منابع نوری را برای کاربردهای نظامی، پزشکی، زمین‌شناسی و فضایی فراهم می‌کند.
“سطوح متایی معمولا برای سفارشی‌سازی پرتوهای لیزری که از لیزرهای تجاری موجود خارج می‌شوند، طراحی می‌شوند،” گفت آدام اورویگ، پژوهشگر پسادکتری ارشد سابق در ASRC، در ایمیلی به Interesting Engineering .
“در مورد ما، سطح متایی همزمان پرتوهای حرارتی تولید می‌کند و آنها را سفارشی می‌کند. این می‌تواند سیستم‌های نوری را با ترکیب هر دو بسیار فشرده‌تر کند.”
پرتو حرارتی نامی است که به موج‌های الکترومغناطیسی تولیدشده از گرما در ماده داده می‌شود. لامپ معمولاً برای توضیح این پدیده استفاده می‌شود، جایی که نور پس از گرم شدن ماده فلامینت تا حدی خاص منتشر می‌شود.
در حالی که این اختراع در زمان خود بسیار عالی بود، نور لامپ محدودیت‌های خود را دارد. این نور غیرقطبی است و کنترل دقیقی بر محل انتشار آن وجود ندارد، که به طور شدید کاربردهایش را محدود می‌کند. در مقایسه، نور لیزر قطبی است، دارای فرکانس تعریف‌شده‌ای است و می‌تواند به خوبی در جهت انتشار کنترل شود. به همین دلیل است که لیزر به‌طور گسترده‌ای برای کاربردهای فنی استفاده می‌شود نه یک لامپ معمولی.
کنترل نور با سطوح متایی
پژوهشگران بر روی سطوح متایی تکیه کرده‌اند – موادی دوبعدی که در مقیاس نانو ساخته شده‌اند تا نور لیزرها را کنترل کنند. از آنجایی که سطوح متایی نیز می‌توانند به صورت آرایه‌ای از نانوپیلارها بر روی سطوح چیده شوند، پژوهشگران پراکندگی نور لیزر را بر اساس الزامات کاربردی کنترل کرده‌اند.
در حالی که عنصر کنترلی این روش در مقیاس نانو کار می‌کند، تنظیم هیجان‌زدگی لیزر حجیم و گران‌قیمت است. بنابراین، پژوهشگران در ASRC به دنبال راه‌هایی برای جایگزینی آن با چیزی ساده‌تر و کوچکتر بودند.
“هدف نهایی ما امکان فناوری سطح متایی است که به منابع لیزری خارجی نیازی ندارد، اما می‌تواند کنترل دقیقی بر نحوه انتشار و پیشروی پرتوهای حرارتی خود فراهم کند،” اضافه کرد اورویگ، اکنون استادیار در مؤسسه فناوری استفنز، در بیانیه خبری.
تبدیل نظریه به کاربرد
در سال 2021، تیم تحقیقاتی در ASRC مقاله نظری را منتشر کرد که نشان می‌داد یک سطح متایی می‌تواند پرتوهای حرارتی با ویژگی‌هایی مانند فرکانس تعریف‌شده، قطبش سفارشی و حتی شکل موجی که می‌تواند برای ایجاد یک هولوگرام استفاده شود، تولید کند.
این مطالعه نشان داد که یک ساختار نانویی به خوبی مهندسی شده می‌تواند پرتوهای حرارتی خاصی تولید کرده و آنها را کنترل کند. “این قابلیت‌ها ابتدا بدون مواد عجیب‌وغریب غیرممکن به نظر می‌رسیدند، اما ما نشان دادیم که مواد معمولی مانند شیشه و سیلیکون اگر به‌دقت طراحی شوند، کافی هستند،” اورویگ در ایمیلی به IE توضیح داد. اما نشان‌دادن آن در دنیای واقعی آسان نبود.
“طراحی اولیه ما نیاز به ساختار سه‌بعدی داشت که شامل چندین مرحله ساخت و هم‌ترازی دقیق بود. بنابراین، به‌خاطر دشواری، آزمایش را دنبال نکردیم. سپس متوجه شدیم که چگونه می‌توان به همان نتیجه رسید اما تنها با یک مرحله با استفاده از یک طراحی پیچیده‌تر،” اورویگ به IE گفت، خلاصه‌ای از پیشرفت پژوهش‌ها از سال 2021 تاکنون. این با طراحی یک ساختار دوبعدی تک‌لایه‌ای تحقق یافت.
با اینکه پرتوهای حرارتی غیرقطبی است، پژوهشگران بر روی امکان‌پذیری پرتوهای حرارتی با نور قطبی‌شده دایره‌ای متمرکز شدند، جایی که میدان الکتریکی به طور چرخشی نوسان می‌کند.
“قطبش دایره‌ای یک پدیده معمولی روزمره نیست، هرچند که می‌تواند در طبیعت مهم باشد،” اورویگ به IE توضیح داد. “فکر می‌کنم میگوهای منتیس می‌توانند آن را “ببینند” اما انسان‌ها نمی‌توانند. اغلب برای مطالعه جهت‌گیری مولکول‌هایی مانند قند استفاده می‌شود.”
پژوهشگران دیگر نشان داده بودند که قطبش‌های دایره‌ای می‌توانند به جهات متضاد تقسیم شوند، اما محدودیتی در میزان کنترل بر روی نور قطبی وجود دارد. با این حال، تیم ASRC توانست به این محدودیت غلبه کند و انتشار نامتقارن قطبش دایره‌ای را در یک جهت به‌دست آورد، طبق بیانیه خبری .
“قابلیت ایجاد منابع سبک‌وزن و فشرده با ویژگی‌های طیفی، قطبی‌شده و فضایی مورد نیاز به‌ویژه برای کاربردهای نیازمند قابلیت حمل٬ مانند فناوری‌های فضایی، تحقیقات میدانی در زمین‌شناسی و زیست‌شناسی، و عملیات‌های نظامی، جذاب است. این کار نمایانگر یک گام مهم به سوی تحقق این قابلیت‌ها است،” اضافه کرد آندریا آلو، استاد برجسته فیزیک در CUNY، در بیانیه خبری.
این پژوهش همچنین می‌تواند به بهبود دیودهای نورگسیل (LEDs) کمک کند، منبع نوری ارزان و رایجی که کنترل آن نیز دشوار است.
یافته‌های این پژوهش در مجله Nature Nanotechnology امروز منتشر شد.
