ساخت بزرگ‌ترین بلور فوتونی غیر خطی

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، بلورهای فوتونی غیرخطی، موادی با الگوی تکرارشونده هستند که خواص نوری آنها براساس شدت نور فرودآمده یا قدرت میدان الکترومغناطیسی اعمال‌شده تغییر می‌کند. هرچه کریستال فوتونی بزرگتر باشد، واکنش‌پذیرتر است.

این نوآوری، امکان کنترل بی‌سابقه‌ را بر انتشار نور فراهم می‌کند که پیشرفت‌های قابل توجهی را در درک ما پیرامون پدیده‌های نوری و نوآوری‌ در مخابرات، تصویربرداری پزشکی و محاسبات کوانتومی به همراه خواهد داشت.

به رغم قابلیت‌ بلورهای فوتونی غیرخطی، تولید آنها چالش‌برانگیز است زیرا موادی که معمولا برای ساخت آنها استفاده می‌شود، از نظر شیمیایی بی‌اثر هستند. این امر، ساخت موثر بلورهای فوتونی غیرخطی را در مقیاس صنعتی دشوار می‌کند.

یک روش جدید برای ساخت بلورهای فوتونی بزرگ

این پژوهش، روش‌های جدیدی را برای تولید بلورهای فوتونی غیر خطی بزرگ مورد بررسی قرار می‌دهد که بر محدودیت‌های دو روش رایج پردازش لیزری و پرورش آنها از دانه‌های کوچک بلور غلبه می‌کنند.

این گروه پژوهشی برای ایجاد بلور فوتونی خود، از «تیتانات باریم»(Barium Titanate) استفاده کردند که به دلیل خواص نوری غیر خطی خود شناخته می‌شود. آنها تیتانات باریم را با روش «پوشش‌دهی دورانی» به یک بستر ویژه افزودند. پوشش‌دهی دورانی، روشی است که برای اعمال لایه‌های نازک یکنواخت روی بسترهای مسطح استفاده می‌شود.

این فرآیند شامل رسوب مقدار کمی از مواد مایع پوشش‌دهنده روی مرکز یک بستر است که به سرعت می‌چرخد. نیروی گریز از مرکز، مایع را به بیرون پخش می‌کند و یک لایه نازک و یکنواخت را روی کل سطح تشکیل می‌دهد.

سپس، آنها یک قالب سیلیکونی در اندازه میکرون را بالای لایه تیتانات باریم قرار دادند تا یک الگوی شبکه میله‌ای دوبعدی را روی سطح آن ایجاد کنند. سطح شبکه دوبعدی گرم شد تا هر گونه حلال حذف شود و از حل شدن تیتانات باریم در طول گذاشتن لایه بعدی جلوگیری به عمل بیاید.

مرحله آخر، پر کردن فضای بین میله‌ها با ماده خاصی بود که اجازه می‌دهد لایه بعدی بدون تخریب ساختار لایه قبلی، روی آن قرار بگیرد.

پس از مونتاژ چندین لایه که هر یک نسبت به یکدیگر ۹۰ درجه چرخیده‌اند، این چیدمان تحت یک عملیات حرارت‌دهی نهایی قرار می‌گیرد تا همه مواد اضافی حذف شوند و فقط ساختار مورد نظر باقی بماند. سپس در دمای بالا، تیتانات باریم به حالت چهار ضلعی در ساختارها تشکیل می‌شود.

پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی موفق شدند اطمینان حاصل کنند که بلور به‌دست‌آمده، از تناوب لازم برای انتشار نور در طول موج‌های درست برخوردار است. آنها دریافتند که کیفیت ساختار بلور با آنچه می‌توان از پردازش لیزری به دست آورد، قابل مقایسه است.

«ویولا والنتینا فوگلر نولینگ»(Viola Valentina Vogler-Neuling) پژوهشگر «مؤسسه فناوری فدرال زوریخ»(ETH Zurich) و «دانشگاه فریبورگ»(University of Fribourg) گفت: ما برای اولین بار توانستیم تغییرات دوره‌ای ویژگی‌های نور تولید شده را در بلور فوتونی غیر خطی سه‌بعدی از پایین به بالا اندازه‌گیری کنیم. علاوه بر این، ما توانستیم نمونه‌های جدیدی را از بلورهای فوتونی غیر خطی سه‌بعدی بسازیم که دو برابر بزرگ‌تر از پیشرفته‌ترین نمونه‌های موجود هستند. ما معتقدیم این ساختارها می‌توانند به منابع نور کوانتومی منسجم و چند طول موجی فوق باریک تبدیل شوند که نویدبخش پیشرفت در سنجش نوری، انتقال اطلاعات و محاسبات کوانتومی است.

اگرچه این پژوهش یک پیشرفت مهم است اما پژوهشگران معتقدند که بهبودهای بیشتر هنوز امکان‌پذیر هستند. آزمایش آنها دقت لازم را برای اطمینان از این موضوع ندارد که زاویه بین میله‌ها در لایه‌های گوناگون دقیقا ۹۰ درجه است. این امر اندکی بر تناوب بلور تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، لایه‌ها کمی ناهماهنگ بودند که بر ویژگی‌های نوری آنها تأثیر گذاشت. دانشمندان معتقدند این مشکلات با به کار گرفتن تجهیزات دقیق‌تر حل خواهند شد.

این گروه پژوهشی انتظار دارند موادی را پیدا کنند که واکنش آنها به میدان‌های الکترومغناطیسی بیشتر از تیتانات باریم باشد. در صورت یافتن چنین موادی، بلورهای غیرخطی ساخته‌ شده از آنها می‌توانند نور را در طول موج‌های مورد نیاز به صورت کارآمدتر ساطع کنند.

این پژوهش در «Advanced Photonic Research» به چاپ رسید.