Engineering of Dual Wavelength, Polarization Selective Metalenses in Silicon Carbide

غالبًا ما تبدو التكنولوجيا الكمومية وكأنها مستقبل بعيد، لكن لبنات بنائها بدأت تتشكل بالفعل في المواد الصلبة من حولنا. وفي قلب هذا المجال الناشئ تكمن عيوب صغيرة داخل البلورات، تُعرف بالعيوب (defects). تخيل الماس المثالي أو كتلة من كربيد السيليكون كمدينة شاسعة ومنظمة من الذرات. أحيانًا، تكون هناك ذرة مفقودة، أو أن نوعًا مختلفًا من الذرات قد انتقل إلى مكان خاطئ. هذه المواضع المفقودة أو الخاطئة هي العيوب. وبينما قد تبدو هذه العيوب وكأنها نواقص، إلا أنها في عالم الفيزياء الكمومية تُعد في الواقع أدوات قوية. إذ يمكن لهذه العيوب أن تحجز الإلكترونات في حالات محددة تعمل مثل مغناطيسات صغيرة، تحفظ المعلومات لفترات طويلة. كما يمكن جعلها تتوهج بالضوء، ويعتمد لون ذلك الضوء على النوع المحدد للعيب. ويتوق العلماء لاستخدام هذه العيوب المتوهجة لبناء حواسيب ومستشعرات كمومية، ولكن هناك عقبة كبيرة: فالمادة التي تحتضنها غالبًا ما تكون كثيفة جدًا بالذرات لدرجة أن الضوء الذي تنبعث منه يظل محبوسًا في الداخل، يتخبط ذهابًا وإيابًا حتى يتلاشى. ولجعل هذه الأجهزة الكمومية مفيدة، يجب على الباحثين إيجاد طريقة لسحب هذا الضوء المحبوس وتوجيهه بدقة إلى حيث يحتاج للذهاب.

لقد طور فريق من الباحثين الآن حلاً يتكامل مباشرة في المادة نفسها، مما يخلق واجهة بصرية مدمجة يمكنها التقاط وتوجيه الضوء من نوعين مختلفين من العيوب الكمومية في آن واحد. وبالعمل على كربيد السيليكون، وهو بلورة صلبة ومتينة تُستخدم في كل شيء من إلكترونيات الطاقة إلى الأبحاث الكمومية، صمم الفريق وبنى سطحًا متخصصًا يُسمى "العدسة المعدنية" (metalens). وخلافًا للعدسات الزجاجية التقليدية التي تكون سميكة ومنحنية، فإن العدسة المعدنية هي نمط مسطح مجهري محفور مباشرة على سطح المادة. ويتميز هذا الجهاز الجديد بأنه "متجانس" (monolithic)، مما يعني أنه منحوت من نفس كتلة كربيد السيليكون التي تحتوي على العيوب التي تحاول التقاطها، وليس قطعة منفصلة ملصقة فوقها. وقد هندس الباحثون هذا السطح ليعمل مع لونين محددين جدًا من الضوء: أحدهما عند 860 نانومتر والآخر عند 1240 نانومتر. وتتوافق هذه الألوان مع توهج نوعين مختلفين من العيوب الكمومية، وهما "الفراغ السيليكوني" و"الفراغ النيتروجيني"، وهما مرشحان واعدان للاتصالات الكمومية.

لم يكن التحدي الذي واجهه الفريق يتمثل في جمع الضوء فحسب، بل في القيام بذلك مع فرز الضوء أيضًا بناءً على كيفية توجيه موجاته، وهي خاصية تُعرف بالاستقطاب (polarization). يمكن لموجات الضوء أن تهتز في اتجاهات مختلفة، ومن أجل قراءة المعلومات الكمومية بشكل صحيح، يجب التحكم في هذه الاتجاهات. صمم الباحثون عدستهم المعدنية بحيث تعامل الضوء المهتز أفقيًا بشكل مختلف عن الضوء المهتز رأسيًا. عندما يصطدم الضوء بالسطح، تقوم الأعمدة الصغيرة التي تشكل نمط العدسة المعدنية بثني الموجات بطرق محددة. فبالنسبة للضوء ذي الطول الموجي 860 نانومتر، توجه العدسة الموجات المهتزة أفقيًا إلى نقطة واحدة والموجات المهتزة رأسيًا إلى نقطة مختلفة قليلاً. وتفعل الشيء نفسه بالنسبة للضوء ذي الطول الموجي 1240 نانومتر، ولكن بنمط مختلف من الأعمدة. وهذا يسمح للجهاز بأن يعمل كمنظم لحركة المرور، حيث يفصل أنواع المعلومات المختلفة التي يحملها الضوء دون الحاجة إلى معدات خارجية ضخمة.

لاختبار ابتكارهم، قام الفريق أولاً بمحاكاة كيفية سلوك الضوء باستخدام نماذج حاسوبية قوية. وأظهرت هذه المحاكاة أن التصميم يمكنه بالفعل فصل الاستقطابات المختلفة وتركيز الضوء بفعالية. ثم انتقلوا إلى المختبر لبناء الجهاز. وباستخدام عملية تشبه طباعة لوحة الدوائر المطبوعة ولكن بدقة أكبر بكثير، استخدموا حزمة من الإلكترونات لرسم نمط الأعمدة الصغيرة على كتلة كربيد السيليكون. ثم قاموا بنحت المادة لإفساح المجال خلف "غابة" من الأعمدة المجهرية، حيث يبلغ ارتفاع كل منها حوالي 1.6 ميكرومتر. بدا الجهاز النهائي كمربع مسطح مقسم إلى قسمين، أحدهما مُحسَّن للطول الموجي الأقصر والآخر للطول الموجي الأطول. وعندما فحصوا المنتج النهائي تحت المجهر، كانت الأعمدة موحدة وناعمة، مما أكد نجاح عملية التصنيع في إنشاء الهياكل المعقدة المطلوبة.

وجاء الاختبار الحقيقي عندما أدخلوا العيوب الكمومية في كربيد السيليكون. فقد استخدموا حزمة من أيونات النيتروجين لزرع الذرات في البلورة، مما خلق الفراغات اللازمة لتكوين العيوب. وبمجرد وضع العيوب في مكانها، سلطوا ليزرًا على الجزء الخلفي من البلورة لجعل العيوب تتوهج. انتقل الضوء عبر البلورة وضرب العدسة المعدنية الموجودة في المقدمة. نجح الجهاز في جمع الضوء وتركيزه في نقاط متميزة، مما أثبت قدرته على سحب الفوتونات من البلورة الكثيفة وتوجيهها إلى الفضاء الحر. وقاس الباحثون كمية الضوء التي نفذت من خلالها ووجدوا أن العدسة المعدنية التقطت حوالي نصف الضوء المتاح. ورغم أن هذه النسبة أقل مما قد تحققه عدسة مثالية، إلا أنها تمثل تحسنًا كبيرًا مقارنة بعدم وجود عدسة على الإطلاق، حيث كان معظم الضوء سيظل محبوسًا داخل البلورة بسبب كثافتها العالية.

وعلاوة على مجرد جمع الضوء، أثبت الفريق أنه يمكن استخدام الجهاز لقراءة الحالة الكمومية للعيوب. فقد وضعوا العينة في مجال مغناطيسي وقاسوا كيف تتغير شدة الضوء أثناء ضبط المجال المغناطيسي. وتسمح هذه التقنية، المعروفة باسم الرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا (optically detected magnetic resonance)، للعلماء برؤية حالة "اللف المغزلي" (spin state) للإلكترونات داخل العيوب. نجحت العدسة المعدنية في جمع الإشارة من كل من عيوب الفراغ السيليكوني وعيوب الفراغ النيتروجيني، حيث أظهرت قممًا واضحة في البيانات تطابق ما هو متوقع من هذه الأنظمة الكمومية. إن حقيقة قدرة الجهاز على التمييز بين النوعين المختلفين من الضوء والتعامل مع استقطاب كل منهما تعني أنه يمكنه احتمال قراءة عدة بتات كمومية في وقت واحد. وتعد هذه القدرة خطوة حاسمة نحو بناء شبكات كمومية قابلة للتوسع، حيث تحتاج العديد من الأجهزة الكمومية إلى التواصل مع بعضها البعض من خلال واجهة واحدة مدمجة.

يؤكد هذا العمل أنه من الممكن نحت أدوات بصرية معقدة ومتعددة الوظائف مباشرة في المادة التي تضم المصادر الكمومية. ومن خلال العمل عند طولين موجيين متميزين وإدارة الاستقطاب، توفر العدسة المعدنية طريقة لتبسيط الأنظمة البصرية اللازمة للتقنيات الكمومية. فبدلاً من الحاجة إلى عدسات وفلاتر منفصلة لكل نوع مختلف من العيوب، يمكن لسطح واحد مسطح أن يقوم بالمهمة. وقد أظهر الباحثون أن هذا النهج لا يعمل في النظرية أو المحاكاة فحسب، بل في جهاز حقيقي مصنع يمكنه جمع الضوء وقراءة الحالات الكمومية. ويشير هذا التكامل بين الواجهة البصرية والمصدر الكمومي إلى مسار للمضي قدمًا نحو إنشاء أجهزة كمومية أصغر حجمًا وأكثر كفاءة، والتي يمكن استخدامها في النهاية في كل شيء، من شبكات الاتصالات فائقة الأمان إلى المستشعرات المغناطيسية عالية الحساسية.