Ultrafast tuning of the focusing efficiency of a nonlinear atomically thin lens

الضوء هو الأداة التي نستخدمها لرؤية العالم، والتقاط الصور، ونقل المعلومات. لقرون مضت، اعتمدت الأجهزة التي تحني هذا الضوء وتركزه على الحجم والوزن؛ فالعدسات الزجاجية التقليدية هي قطع سميكة ومنحنية من المواد التي تشغل مساحة ولا يمكن تصغيرها بسهولة لتناسب الرقائق الصغيرة التي تشغل إلكترونياتنا الحديثة. ولجعل الأنظمة البصرية أصغر وأسرع، لجأ العلماء إلى أسطح مسطحة مكونة من أنماط مجهرية، تُعرف باسم "الأسطح الميتاسية" (metasurfaces)، والتي يمكنها توجيه الضوء دون الحاجة إلى الانحناء الثقيل. ومن بين هذه الأسطح، يعمل تصميم محدد يسمى "لوحة منطقة فرينل" (Fresnel zone plate) كعدسة عبر استخدام سلسلة من الحلقات متحدة المركز لتركيز الضوء في نقطة واحدة. ورغم أنه يمكن صنع هذه العدسات المسطحة رقيقة للغاية، إلا أنها كانت تاريخياً أشياء ثابتة؛ فبمجرد بنائها، تكون قدرتها على تركيز الضوء ثابتة، ويتطلب تغيير أدائها تعديلات ميكانيكية بطيئة وضخمة أو تيارات كهربائية تولد حرارة.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن طريقة لجعل هذه العدسات فائقة الرقة نشطة واستجابية، قادرة على تغيير كيفية تركيزها للضوة في جزء من الثانية. فقد صنعوا عدسة من طبقة واحدة من الذرات، وهي مادة رقيقة جداً لدرجة أنها تعتبر ثنائية الأبعاد جوهرياً، وأظهروا قدرتهم على تشغيل قدرتها على التركيز وإيقافها باستخدام شعاع ضوئي ثانٍ. ويحل هذا الإنجاز مشكلة طويلة الأمد في هذا المجال: فقد كانت الطرق السابقة للتحكم في مثل هذه العدسات إما بطيئة جداً بحيث لا تصلح للبيانات عالية السرعة، أو ضعيفة جداً بحيث لا تحدث فرقاً ملحوظاً. ومن خلال استخدام الخصائص الفريدة لهذه المادة الذرية، حقق الباحثون تعديلاً في كفاءة التركيز يتسم بالسرعة والقوة، مما يفتح مساراً نحو أجهزة بصرية يمكن إعادة تكوينها فورياً دون أجزاء متحركة.

إن العدسة التي تقع في قلب هذا الاكتشاف مصنوعة من مادة تسمى "ثنائي سيلينيد التنغستن" (tungsten diselenide)، والتي توجد كطبقة مستقرة بسمك ذرة واحدة فقط. قام الباحثون بنمذجة هذه الطبقة في شكل عدسة تتكون من اثنتين وعشرين حلقة متحدة المركز، مما خلق هيكلاً يبلغ عرضه مائة ميكرومتر فقط. في حالتها الطبيعية، تكون هذه العدسة شفافة ولا تركز الضوء جيداً لأن المادة رقيقة جداً لدرجة أن معظم الضوء يمر من خلالها مباشرة. ومع ذلك، تمتلك المادة خاصية مميزة: فعندما تُضرب بضوء من لون معين، يمكنها توليد لون جديد من الضوء عند ضعف التردد تماماً، وهي عملية تُعرف باسم "توليد التوافق الثاني" (second-harmonic generation). وقد صمم الباحثون تجربتهم بحيث تقوم العدسة بتركيز هذا الضوء المتولد حديثاً بدلاً من الضوء الذي يمر ببساطة من خلالها.

لاختبار العدسة، وجه الفريق شعاعاً من الضوء نحوها، مما تسبب في انبعاث شعاع ثانٍ بتردد أعلى من الطبقة الذرية. وقاسوا أين يتركز هذا الشعاع الجديد ووجدوا أن العدسة نجحت في تركيز الضوء في بقعة تبعد حوالي مائتي ميكرومتر. كانت كفاءة هذا التركيز عالية بشكل مفاجئ بالنسبة لمثل هذه المادة الرقيقة، مما أثبت أن العدسة تعمل كما هو مخطط لها. وجاء الاختراق الحقيقي عندما أدخلوا شعاعاً ثانياً من الضوء، ليعمل كمفتاح تحكم. تم ضبط شعاع التحكم هذا لتحفيز الإلكترونات داخل الطبقة الذرية، مما يغير الخصائص البصرية للمادة لفترة وجيزة.

عندما ضرب شعاع التحكم العدسة، تسبب في إعادة ترتيب الإلكترونات، مما قلل على الفور من قدرة المادة على توليد وتركيز الشعاع الثاني. حدث هذا التغيير بشكل فوري تقريباً، ضمن إطار زمني يُقاس بالبيكوسكند (picoseconds)، وهو جزء من تريليون من الثانية. لاحظ الباحثون أن شدة الضوء المركز انخفضت بنسبة تقارب الثلاثين بالمائة عندما كان شعاع التحكم نشطاً. وهذا تغيير كبير، خاصة بالنظر إلى أن شعاع التحكم كان ضعيفاً نسبياً، حيث تطلب أقل من عشرة ميكرو جول لكل سنتيمتر مربع. في المقابل، عندما حاولوا تعديل العدسة باستخدام نفس شعاع التحكم ولكن بدون تأثير مضاعفة التردد الخاص، كان التغيير في التركيز أقل من واحد بالمائة، مما يظهر أن الطريقة الجديدة أكثر فعالية بمراحل.

تتحدد سرعة هذا التبديل بمدى سرعة استقرار الإلكترونات المثارة في المادة للعودة إلى حالة الراحة. قاس الباحثون وقت الاستعادة هذا ووجدوا أن العدسة عادت إلى حالتها الأصلية في حوالي عشرة بيكوسكند. هذه السرعة أكبر بعدة مراتب من الطرق السابقة التي اعتمدت على الكهرباء أو الحرارة لضبط العدسات، والتي غالباً ما كانت تستغرق ميلي ثانية للاستجابة. إن القدرة على تشغيل وإيقاف العدسة بهذه السرعة تشير إلى أن هذه الأجهزة يمكن استخدامها في التقنيات المستقبلية التي تتطلب تعديلات سريعة، مثل توجيه أشعة الليزر للاتصالات أو إنشاء مفاتيح بصرية فائقة السرعة للحوسبة.

تؤكد الدراسة أنه من خلال الجمع بين الرقة القصوى للمواد الذرية وفيزياء توليد الضوء غير الخطي، من الممكن إنشاء مكونات بصرية ليست صغيرة فحسب، بل قابلة للتحكم ديناميكياً أيضاً. لم يكتفِ الباحثون بمراقبة إمكانية نظرية، بل بنوا الجهاز، وقاسوا الضوء، وتحققوا من توقيت الاستجابة. لقد أظهروا أن العدسة يمكن ضبطها بتأثير كبير وباستخدام آلية سريعة جداً، وهو مزيج كان من الصعب تحقيقه سابقاً. يضع هذا العمل منصة جديدة للنانو-فوتونيات النشطة، حيث يمكن التحكم في تركيز الضوء بنفس سرعة ودقة الإشارات الإلكترونية التي تقود عالمنا الحديث، ولكن باستخدام الضوء نفسه كآلية للتحكم.