Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
تُظهر هذه الورقة ليزر التغذية الراجعة الموزعة في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، القابل للضبط ويعمل في درجة حرارة الغرفة، باستخدام الفوسفور الأسود المدمج على محززات فوتونية سيليكونية، محققةً عتبات ليزر منخفضة تحت إثارة نانو-ثانية، مما يوفر منصة واعدة للتكامل غير المتجانس مع الفوتونيات السيليكونية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يُعد الضوء الذي ينتقل في منتصف طيف الأشعة تحت الحمراء أداة قوية لرؤية ما لا يُرى. هذا النطاق المحدد من الضوء، الذي يقع مباشرة وراء ما يمكن للعين البشرية رؤيته، يمر عبر الغلاف الجوي بسهولة ويتفاعل بقوة مع الروابط الكيميائية للجزيئات. وبسبب ذلك، سعى العلماء والمهندسون منذ فترة طويلة للحصول على مصادر موثوقة لهذا الضوء للكشف عن الملوثات في الهواء، أو تشخيص الأمراض من خلال تحليل الأنفاس، أو نقل البيانات لاسلكياً عبر مسافات طويلة. ولعقود من الزمن، كانت الأجهزة التي تولد هذا الضوء صعبة التعامل. فهي تُبنى عادةً من طبقات معقدة من مواد بلورية مختلفة يجب نموها معاً بدقة ذرية. وبينما تعمل هذه الليزرات التقليدية بشكل جيد، فإن متطلبات تصنيعها الصارمة تجعل من الصعب دمجها مع رقائق السيليكون التي تشغل إلكترونياتنا الحديثة. ولتجسير هذه الفجوة، توجه الباحثون إلى فئة جديدة من المواد: وهي عبارة عن صفائح رقيقة ومرنة من الذرات يمكن تقشيرها ووضعها فوق أي سطح تقريباً، تماماً مثل الملصق، دون الحاجة إلى مطابقة البنية البلورية الأساسية بشكل مثالي.
ومن بين هذه المواد الشبيهة بالصفائح، برز الفوسفور الأسود كمرشح واعد بشكل خاص لتوليد ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. وخلافاً للعديد من المواد الأخرى التي تعمل فقط في نطاق ضيق، يمكن ضبط الفوسفور الأسود لإصدار ألوان مختلفة ببساطة عن طريق تغيير سمكه. ومع ذلك، كان تحويل هذه المادة إلى ليزر عملي يمثل تحدياً. فقد أظهرت التجارب السابقة أن الفوسفور الأسود يمكنه إنتاج ضوء الليزر، ولكن فقط عندما يُضرب بدفقات طاقة قصيرة للغاية وكثيفة تستمر لأجزاء من كوادريليون من الثانية فقط. وتخلق هذه النبضات العابرة حالة فوضوية وقصيرة العمر من الجسيمات المثارة يصعب الحفاظ عليها. وللانتقال نحو جهاز واقعي، احتاج الباحثون إلى إثبات أن الفوسفور الأسود يمكنه العمل كليزر تحت ظروف أكثر قابلية للإدارة، وتحديداً مع نبضات تستمر لألف مرة أطول، وهي أقرب لما يمكن للإلكترونيات القياسية التعامل معه.
لقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة بوليتكنيك مونتريال ذلك تماماً. فقد صنعوا ليزراً باستخدام رقاقة رقيقة من الفوسفور الأسود وُضعت مباشرة فوق شبكة من ثاني أكسيد السيليكون، وهي سطح محفور ببروزات مجهرية. تعمل هذه الشبكة كمرآة تحبس الضوء داخل الشريحة الرقيقة، مما يجبره على الارتداد ذهاباً وإياباً حتى يجمع طاقة كافية للهروب كشعاع مركز. ومن خلال محاذاة البنية البلورية للفوسفور الأسود بعنابية مع حواف الشبكة، تمكن الفريق من توجيه الضوء بكفاءة. وعندما ضربوا الجهاز بنبضة ليزر تستمر لمدة جزء من مليار من الثانية، استجاب الفوسفور الأسود بإصدار شعاع حاد وضيق من الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. ولم يكن لون هذا الضوء ثابتاً؛ فمن خلال استخدام رقاقات ذات سماكات مختلفة، استطاع الباحثون ضبط المخرجات إلى أطوال موجية تتراوح بين 3.79 و4.05 ميكرومتر، مما يغطي نافذة حيوية لتطبيقات الاستشعار.
كان أداء هذا الليزر الجديد مثيراً للإعجاب، خاصة فيما يتعلق بكمية الطاقة المطلوبة لبدئه. ففي درجة حرارة الغرفة، بدأ الجهاز في إصدار الليزر بطاقة ضخ بلغت 0.25 ميلي جول لكل سنتيمتر مربع فقط. وهذا حد منخفض بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن المادة فعالة للغاية في تحويل الطاقة إلى ضوء. وعندما قام الباحثون بتبريد الجهاز إلى 110 كلفن، انخفضت الطاقة المطلوبة لبدء الليزر بمقدار عشرة أضعاف، لتصل إلى 0.015 ميلي جول لكل سنتيمتر مربع. ويشير هذا التحسن الدراماتيكي إلى أن قدرة المادة على توليد الضوء محدودة بالحرارة والتفاعلات بين الجسيمات في درجة حرارة الغرفة، لكنها تعمل بشكل استثنائي في بيئة أكثر برودة. كما كشونت الدراسة أن سمك رقاقة الفوسفور الأسود يلعب دوراً حاسماً؛ حيث كانت الرقاقات الأكثر سمكاً تحبس الضوء بشكل أكثر فعالية، مما ساعد في خفض الطاقة اللازمة للوصول إلى حالة الليزر.
يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في تطوير مصادر ضوئية مدمجة ومتكاملة. فمن خلال إثبات أن الفوسفور الأسود يمكنه توليد ضوء الليزر تحت إثارة بالنانو ثانية، نقل الباحثون هذه المادة إلى مرحلة أقرب للظروف اللازمة للتشغيل الكهربائي، حيث سيعمل تيار مستمر على تشغيل الجهاز بدلاً من ليزر خارجي. إن القدرة على دمج هذه الليزرات مباشرة على رقائق السيليكون دون نمو بلوري معقد تفتح الباب أمام جيل جديد من أجهزة الاستشعار وأدوات الاتصال. وبينما تعتمد التجارب الحالية على الضخ الضوئي، فإن عتبات الطاقة المنخفضة التي تم تحقيقها هنا تشير إلى أن نسخة كهربائية كاملة من هذا الليزر هي احتمال واقعي، مما قد يجلب قوة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى مجموعة أوسع بكثير من التقنيات اليومية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.