تصور کن تو دنیای مواد و فیزیک، دانشمندها واقعاً تونستن اتم‌ها رو با نور “برقصونن”! جدی میگم، ماجرا دقیقاً همین قدر عجیب و جالبه.
داستان از این قراره که محقق‌های دانشگاه رایس (Rice University) با همکاری چند تیم دیگه کاری کردن که تو بعضی کریستال‌ها، لرزش‌هایی که بهشون میگن “فونون” (Phonon— یعنی همون موج‌های لرزشی کوچیکی که اتم‌ها توی کریستال‌ها درست می‌کنن)، بتونن با نور قاطی بشن و ماده‌ای جدید و هیبریدی! درست کنن. این حرکت می‌تونه آینده پنل‌های خورشیدی و LEDها رو حسابی تغییر بده، چون باعث میشه انرژی تو این دستگاه‌ها خیلی بهینه‌تر جابجا بشه.
حالا چطوری به این موفقیت رسیدن؟ دانشمندها اومدن روی یه لایه خیلی نازک از طلا (آره، طلا!)، سوراخ‌هایی در حد نانو درست کردن که هر کدوم تقریباً هزار بار از یه تیکه پلاستیک سلفون نازک‌تر بودن. این سوراخ‌ها مثل تله‌های کوچولو واسه نور عمل می‌کردن و کمک می‌کردن نور درست بره روی همون فرکانسی که فونون‌های ماده در حال لرزش بودن. به این واکنش قوی بین نور و فونون میگن “جفت‌شدن فراقدرتمند” یا Ultrastrong coupling — یعنی نور و لرزش‌ها اونقدر با هم تعامل قوی پیدا می‌کنن که یه چیز کلاً جدید درست میشه.
یه نکته خفن دیگه: دانشمندها هفت مدل مختلف از این شکاف‌ها رو با طول‌های متفاوت ساختن. هر چی سوراخ بلندتر باشه، نورِ با فرکانس پایین‌تر رو به دام می‌ندازه؛ کوتاه‌ترها نور با فرکانس بالاتر رو می‌گیرن. خلاصه هدفشون این بود که نور رو دقیقاً با لرزش‌های ماده هماهنگ کنن.
روی این شکاف‌های نانویی، فیلم نازکی از ماده‌ای به اسم “پروسکایت” (Perovskite— یه جور ماده کریستالی که این روزها تو تحقیقات خورشیدی و الکترونیک خیلی محبوب شده) قرار دادن. با این طراحی هوشمندانه، نتیجه کار این شد که سه حالت هیبریدی جدید به اسم “فونون-پولاریتون” (Phonon-Polaritons— یعنی ترکیب لرزش و نور تو هم) ظاهر شد! حتی این جفت‌شدن قوی حدود ۳۰ درصد فرکانس فونون رو تو دمای محیط نشون داد؛ یعنی با شرایط عادی (نه نیاز به دستگاه عجیب یا لیزر قوی)، تونستن این اثر رو ببینن.
دانشمندها میگن قبلاً برای کنترل انرژی تو چنین موادی یا باید لیزرهای خیلی قوی استفاده می‌کردن، یا مواد خیلی خاص و شرایط عجیب فراهم می‌کردن. اما حالا با این روش نانوفابریکیشن (یعنی تولید ساختارهای مواد تو اندازه‌های بسیار بسیار کوچیک)، می‌تونن خیلی راحت و با دستگاه‌هایی که واقعاً قابل استفاده هستن، جریان انرژی نور و لرزش رو دقیق کنترل کنن. این یعنی یه روش کم‌مصرف و کاملاً «مناسب دستگاه‌ها»، بدون خرابکاری روی طراحی یا اتلاف زیاد انرژی!
جالب‌تر اینکه با همین طراحی ساده، به کشف رفتار جدیدی از فونون‌ها دست پیدا کردن؛ چیزهایی که قبلاً فقط با دستگاه و فشار بالا می‌شد دید. اونم فقط با یه طراحی هوشمندانه تو مقیاس نانومتر.
برای اینکه مطمئن بشن حرفاشون درسته، هم با شبیه‌سازی عددی و هم مدل کوانتومی (Quantum Model— یعنی بررسی رفتار ذرات ریز تو دنیای کوانتوم با معادلات پیچیده) همه چی رو چک کردن و دیدن که واقعاً دو تا مود فونون تو محدوده جفت‌شدن فراقدرتمند هستن.
خلاصه ماجرا اینه که این کشف می‌تونه راه جدیدی برای کنترل تعاملات کوانتومی (یعنی همه بازی‌های عجیبی که تو دنیای ذرات ریز رخ میده) ایجاد کنه. تو آینده، امید هست که این تکنیک بتونه راندمان سلول‌های خورشیدی، LEDها، و هر چی اپتوالکترونیک (Optoelectronics یعنی دستگاه‌هایی که با نور و الکترون کار می‌کنن مثل سنسورها یا نمایشگرها) رو بهتر و بهینه‌تر کنه.
همه این یافته‌ها تو ژورنال معتبر Nature Communications چاپ شده و احتمالاً سال‌های آینده اسم این تیم و اکتشافاتشون خیلی بیشتر به گوشمون می‌خوره!
منبع: +
