Multimode radiation pressure actuation of a mechanical resonator using a spatial mode sorter

في عالم الفيزياء البصرية الهادئ، غالباً ما يُعامل الضوء كرسول يحمل معلومات عن الأجسام التي يلمسها. عندما يصطدم شعاع من الضوء بجسم يهتز، يتغير الضوء المشتت بطرق تكشف عن حركة الجسم، وهو مبدأ يُستخدم في كل شيء من التصوير الطبي إلى اكتشاف الكواكب البعيدة. ومع ذلك، فإن التفاعل يعمل في الاتجاهين؛ فكما تغير الحركة الضوء، يمارس الضوء دفعة فيزيائية ضئيلة على الجسم، وهي قوة تُعرف باسم ضغط الإشعاع. وبينما تمكن العلماء منذ فترة طويلة من قياس كيفية تغيير الحركة للضوء، ظل استخدام الضوء لدفع والتحكم في حركة الأجسام الأكبر والأكثر امتداداً تحدياً صعباً. فالقوة ضعيفة للغاية، وبالنسبة للأجسام المعقدة، من الصعب توجيه تلك الدفعة إلى أجزاء محددة من السطح دون التأثير على الشيء بأكمله.

لقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة أريزونا الآن طريقة جديدة لتسخير هذه القوة الخفية. فقد نجحوا في استخدام شعاع ضوئي مشكل خصيصاً لدفع والتحكم في اهتزازات غشاء صغير مربع مصنوع من نتريد السيليكون. ومن خلال تشكيل الضوء في نمط معقد ثم تغيير هذا النمط بسرعة، تمكنوا من إثارة اهتزازات محددة في الغشاء وحتى تبريد حركته. يجسد هذا العمل فجوة بين قياس الحركة الميكانيكية والتحكم النشط فيها، مما يفتح الطريق نحو تقنيات أكثر تقدماً تعتمد على الرقصة الدقيقة بين الضوء والمادة.

تركزت التجربة على غشاء مجهري، وهو عبارة عن ورقة مربعة من نتريد السيليكون يبلغ طول ضلعها 2.5 مليمتر وسمكها 90 نانومتر فقط. بالنسبة للعين المجردة، تبدو هذه الورقة صلبة، ولكن تحت المجهر، تتصرف مثل وجه الطبل الذي يمكن أن يهتز في أنماط مختلفة. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام الضوء لدفع وجه الطبل هذا إلى اهتزازات محددة. وللقيام بذلك، استخدموا جهازاً يسمى "موزع الأنماط المكانية"، والذي يمكنه أخذ شعاع ليزر وتقسيمه إلى أشكال أو أنماط مكانية مختلفة. واختاروا العمل مع مجموعة محددة من أنماط الضوء المعروفة باسم أنماط "هيرميت-غوس" (Hermite-Gauss)، والتي تبدو كشبكات من البقع المضيئة والمظلمة.

يكمن جوهر الاكتشاف في كيفية تفاعل أنماط الضوء هذه مع الغشاء. فعندما سلط الباحثون بقعة ضوئية بسيطة واحدة على الغشاء، كانت الدفعة الناتجة موحدة عبر تلك البقعة. ومع ذلك، عندما جمعوا بين نمطين مختلفين من الضوء وغيروا الطور بينهما، خلقوا نمط تداخل متحركاً. تخيل وجود موجتين في بركة تتداخلان؛ حيث تلتقيان، تخلقان نمطاً جديداً ومتغيراً من القمم والوديان. فعل الباحثون شيئاً مشابهاً بالضوء؛ فمن خلال تعديل الطور النسبي بين نمطي ضوء، خلقوا نمط ضغط إشعاعي يتحرك ذهاباً وإياباً عبر الغشاء.

عمل هذا الضغط المتحرك مثل يد تدفع أرجوحة. فإذا تحرك نمط الضوء بالسرعة المناسبة، يمكنه دفع الغشاء إلى اهتزاز محدد. اختبر الفريق ذلك من خلال دمج بقعة ضوئية أساسية مع أشكال أكثر تعقيداً. ووجدوا أن القوة الناتجة تعتمد كلياً على مكان سقوط الضوء على الغشاء. فعلى سبيل المثال، أدى الجمع بين نمطي ضوء محددين إلى إنشاء نمط ضغط يدفع الغشاء جانبياً، بينما أدت تركيبة أخرى إلى دفعه للأعلى وللأسفل. ومن خلال مسح أنماط الضوء هذه عبر سطح الغشاء، تمكنوا من رسم خريطة دقيقة لكيفية استجابة الغشاء. وكانت النتيجة صورة تفصيلية تظهر أن الضوء يمكنه إثارة أنماط اهتزاز مختلفة بشكل انتقائي، مثل تلك التي تبدو كلوحة الشطرنج أو شكل رقم ثمانية، اعتماداً على شكل الضوء المستخدم.

كان الإنجاز الأهم في الدراسة هو استخدام هذا التحكم لتبريد حركة الغشاء. فجميع الأجسام عند درجة حرارة الغرفة تهتز بسبب الحرارة، وهذه الاهتزازات الصغيرة هي مصدر للضوضاء التي يمكن أن تتداخل مع القياسات الحساسة. أراد الباحثون إيقاف هذه الضوضاء الحرارية، فقاموا بإعداد حلقة تغذية راجعة حيث قاموا بقياس حركة الغشاء ثم عدلوا طور الضوء فوراً ليدفع ضد تلك الحركة، ليعمل بمثابة مكبح (فرامل). ولأنهم استطاعوا تشكيل الضوء لاستهداف أنماط اهتزاز محددة، تمكنوا من تبريد اثنين من الاهتزازات المتشابهة تقريباً في آن واحد. هذان الاهتزازان، اللذان يحدثان عند ترددات قريبة من 263 كيلو هرتز، متقاربان جداً في حدتهما بحيث يتداخلان عادةً، مما يجعل من الصعب التحكم فيهما بشكل فردي، حيث يبلغ فرق التردد بينهما حوالي 30 هرتز.

باستخدام زوجين مختلفين من أنماط الضوء، استطاع الفريق التمييز بين الاهتزازين. كان أحد زوجي أنماط الضوء حساساً للاهتزاز الأول، بينما كان الزوج الآخر حساساً للاهتزاز الثاني. طبقوا إشارة تغذية راجعة على كل زوج، مما أدى إلى إبطاء حركة كل اهتزاز بشكل مستقل. وأظهرت البيانات أنهم استطاعوا تقليل طاقة هذه الاهتزازات بنحو 10 ديسيبل، وهو انخفاض كبير في الضوضاء الحرارية. إن التبريد المتزامن لهذين النمطين المتميزين مهمة صعبة في مجال الميكانيكا الضوئية (optomechanics)، ويعد تحقيق ذلك باستخدام شعاع ضوئي واحد مشكل بطريقتين دليلاً على مستوى جديد من الدقة.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد تبريد غشاء واحد. إن القدرة على استخدام الضوء المهيكل للدفع والشد على أجزاء محددة من جسم ما تشير إلى طرق جديدة للتلاعب بالأنظمة الميكانيكية. وأشار الباحثون إلى إمكانية تطبيق هذه التقنية على أنظمة ميكانيكية أخرى، بما في ذلك تلك التي تطفو في الهواء. وإذا أمكن توسيع نطاق هذه المبادئ، فقد يكون من الممكن تبريد عدة أجسام إلى أدنى حالة طاقة ممكنة لها، وهي الحالة المعروفة باسم "الحالة الأرضية" (ground state)، الضرورية للحوسبة الكمومية والكشف فائق الحساسية عن القوة. كما تشير الدراسة إلى إمكانية استخدام أشكال مختلفة من الضوء، مثل تلك التي تلتف مثل البرغي، لإنشاء قوى دورانية يمكنها تدوير الأجسام الميكانيكية.

اعتمد نجاح التجربة على الجودة العالية لغشاء نتريد السيليكون ودقة جهاز تشكيل الضوء. وُضع الغشاء في غرفة مفرغة من الهواء لإزالة مقاومة الهواء، مما سمح له بالاهتزاز بحرية. وكان مصدر الضوء عبارة عن ليزر بطول موجي قدره 1550 نانومتر، وتم الحفاظ على شدة الضوء منخفضة لتجنب تسخين الغشاء. واستخدم الباحثون منصة آلية لتحريك شعاع الضوء عبر الغشاء، مما أتاح إنشاء خريطة لاستجابة ضغط الإشعاع. وأكدت هذه الخريطة أن القوة التي يبذلها الضوء مرتبطة مباشرة بشكل الضوء وموقع الغشاء.

يمثل هذا العمل خطوة للأمام في مجال الميكانيكا الضوئية الكمومية، حيث الهدف هو التحكم في الحركة الميكانيكية باستخدام الخصائص الكمومية للضوء. ومن خلال إثبات أن ضغط الإشعاع يمكن استخدامه لتنشيط وتبريد أنماط محددة من رنان ميكانيكي بشكل انتقائي، قدم الباحثون أداة جديدة للعلماء. إن القدرة على التحكم في أنماط متعددة في وقت واحد هي مطلب أساسي لإعداد حالات كمومية معقدة، وهي ضرورية للتقنيات المتقدمة. وبينما أُجريت التجربة الحالية على غشاء كبير نسبياً، فإن المبادئ الموضحة هنا قابلة للتطبيق على أنظمة أصغر وأكثر تعقيداً. ويقترح الباحثون أن التطورات المستقبلية في تكنولوجيا تشكيل الضوء قد تسمح بتحكم أكثر دقة، مما قد يؤدي إلى تطبيقات جديدة في مجهر القوة والتحكم في الجسيمات المجهرية.

تم دعم هذه الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ومكتب أبحاث القوات البحرية، مما يسلط الضوء على أهمية هذا البحث للتطورات التكنولوجية المستقبلية. وقد أقر الفريق بمساهمات زملائهم في تصنيع الغشاء وتقديم الدعم الهندسي. ويقف عملهم كدليل واضح على أنه من خلال تشكيل الضوء بالطريقة الصحيحة، يمكن دفع وجذب العالم المادي بدقة لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقاً. ومع نضوج هذه التكنولوجيا، قد تصبح أداة قياسية للعلماء العاملين في نقطة التقاء الضوء والمادة، مما يتيح اكتشافات جديدة في المجال الكمومي.