Localized high-Q resonances enable electrically defined beam steering in lithium niobate metasurfaces

الضوء أكثر من مجرد شيء نراه؛ فبالنسبة للعلماء والمهندسين، هو أداة لاستشعار العالم، وإرسال المعلومات عبر مسافات شاسعة، وخلق تجارب بصرية غامرة. ولجعل هذه الأدوات تعمل، نحتاج إلى القدرة على توجيه شعاع الضوء بسرعة ودقة، وتوجيهه في اتجاهات مختلفة دون تحريك أي أجزاء ميكانيكية ثقيلة. تخيل محاولة تصويب كشاف ضوئي عن طريق إمالة معصمك مقابل تغيير لون الضوء ببساطة لجعل الضوء ينحني؛ الخيار الأخير هو هدف الأبحاث البصرية الحديثة. يكمن التحدي في التحكم في الطور، أو التوقيت، لموجات الضوء على مقياس مجهري. إذا تمكنا من ضبط توقيت موجات الضوء أثناء مرورها عبر سطح رقيق، يمكننا ثني الشعاع. ومع ذلك، فإن القيام بذلك بسرعة كافية للاستخدام في العالم الحقيقي، مثل السيارات ذاتية القيادة أو الإنترنت عالي السرعة، يتطلب مواد يمكنها تغيير خصائصها بشكل فوري تقريبًا عند تطبيق إشارة كهربائية.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة ستانفورد طريقة جديدة لتحقيق ذلك، حيث ابتكروا سطحًا يمكنه توجيه الضوء إلى زوايا مختلفة ببساطة عن طريق تغيير نمط كهربائي، بدلاً من بناء شكل فيزيائي جديد. لقد جمعوا بين فكرتين قويتين: بلورة خاصة تسمى "نيوبات الليثيوم"، والتي تغير خصائصها البصرية عند تطبيق جهد كهربائي، وهياكل سيليكونية متناهية الصغر تحبس الضوء في حالة رنين. فكر في هذه الهياكل السيليكونية كأنها "شوك رنانة" للضوء؛ فعندما تهتز بالتردد الصحيح، تحتفظ بالطاقة بقوة. ومن خلال جعل هذه "الشوك الرنانة" عالية الجودة، تمكن الباحثون من تضخيم تأثير الإشارة الكهربائية، مما سمح لهم بالتحكم في اتجاه الضوء بسرعة كبيرة. والنتيجة هي سطح مسطح وصلب يمكنه إعادة توجيه شعاع الضوء إلى زوايا محددة، مثل 53.5 درجة أو 32.4 درجة، بمجرد تبديل المفتاح في الجهد الكهربائي.

بُني الجهاز على طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم، وهي مادة معروفة بقدرتها على التفاعل بسرعة مع الكهرباء. وفوق هذه الطبقة، وضع الباحثون مصفوفة من الهوائيات النانوية السيليكونية الصغيرة. هذه الهوائيات ليست كتلًا صلبة، بل تم تشكيلها بفتحات صغيرة تسمح لها بالتفاعل مع الضوء بطريقة محددة للغاية. عندما يصطدم الضوء بالسطح، يتم حصره في "نمط موجه" داخل السيليكون، حيث يرتد ذهابًا وإيابًا قبل أن يتسرب للخارج. هذا التأثير في الحبس يخلق رنينًا، وهي حالة يتراكم فيها شدة الضوء. ويُقاس جودة هذا الرنين برقم يسمى "عامل الجودة"، أو (Q). في هذه التجربة، حقق الباحثون عامل جودة أكبر من 1700، مما يعني أن الضوء يدور مرات عديدة قبل الهروب. وهذه الجودة العالية أمر بالغ الأهمية لأنها تجعل النظام حساسًا للغاية لأي تغييرات طفيفة. فعند تطبيق جهد كهربائي على نيوبات الليثيوم الموجودة بالأسفل، يتغير معامل انكسار المادة بشكل طفيف. وبما أن الضوء محبوس بإحكام شديد، فإن هذا التغيير الضئيل يتسبب في تغيير كبير في طور موجة الضوء النابضة من الهوائي.

لتوجيه الشعاع، لم يغير الباحثون شكل الهوائيات، بل غيروا النمط الكهربائي المطبق عليها. لقد استخدموا تصميم "الدفع والسحب"، حيث يتبدل الجهد في الاتجاه بين الهوائيات المتجاورة. وهذا يخلق نمطًا متكررًا من إزاحات الطور عبر السطح، مما يحول الورقة المسطحة فعليًا إلى "شبكة حيود". وشبكة الحيود هي سطح يحلل الضوء إلى اتجاهات مختلفة بناءً على نمطه. ومن خلال ضبط الانحياز الكهربائي، استطاع الباحثون تحديد تباعد هذا النمط. في أحد التكوينات، ضبطوا النمط لتوجيه الضوء إلى زاوية 53.5 درجة. وفي تكوين آخر، باستخدام تسلسل كهربائي مختلف، وجهوا نفس الضوء إلى 32.4 درجة. ظل الجهاز الفيزيائي كما هو تمامًا؛ فقط التعليمات الكهربائية هي التي تغيرت. وهذا يثبت أن زاوية التوجيه محددة بالكهرباء، وليس بهندسة الشريحة.

قاس الفريق مدى كفاءة عمل هذا النظام ووجد أنه يمكنه تعديل الضوء بسرعات تصل إلى 940 مليون دورة في الثانية، أو 940 ميجاهرتز. هذه السرعة كافية للعديد من التطبيقات عالية الأداء. لاحظ الباحثون أن حوالي 0.09 بالمائة من قدرة الضوء الوارد تم إعادة توجيهها بنجاح إلى الشعاع الموجه. ورغم أن هذه النسبة قد تبدو صغيرة، إلا أنها قياس مباشر لانتقال القدرة إلى الاتجاه الجديد، مما يؤكد أن الشعاع يتحرك بالفعل. كما لاحظ الباحثون أن كفاءة التوجيه تعتمد على حجم الجهاز؛ فقد اختبروا ثلاثة أحجام مختلفة من السطح الميتا-سطحي (metasurface) ووجدوا أنه كلما كان الجهاز أصغر، كانت استجابته أسرع. الجهاز الأصغر، الذي يبلغ قياسه 100 في 100 ميكرومتر، وصل إلى أعلى سرعة وهي 940 ميجاهرتز. وتشير هذه العلاقة إلى أنه إذا تم تصغير الأجهزة أكثر، فقد تعمل بسرعات تصل إلى عدة جيجاهرتز.

تضمن جزء رئيسي من البحث فهم سبب إمكانية التحكم في هذه الهوائيات الصغيرة بشكل فردي دون تداخل فيما بينها. نظرًا لأن الهوائيات موضوعة بالقرب من بعضها البعض، فهناك خطر من أن يتسرب الضوء المحبوس في واحد منها إلى جاره، مما يجعلهما يعملان كوحدة واحدة بدلاً من متحكمات مستقلة. وجد الباحثون أنه من خلال حفر فيلم نيوبات الليثيوم بسماكة متبقية محددة بين الهوائيات، يمكنهم كبح هذا الاقتران غير المرغوب فيه. وقد حسبوا أن التفاعل بين الجيران يجب أن يظل ضعيفًا مقارنة بمعدل تلاشي الضوء طبيعيًا من الرنين. وأكدت قياساتهم أن الاقتران كان بالفعل ضعيفًا بما يكفي للسماح بالتحكم المستقل في طور كل هوائي، وهو أمر ضروري لإنشاء أنماط معقدة.

تناولت الدراسة أيضًا القيود التي يفرضها التصميم الحالي. وجد الباحثون أن مقدار تغيير الطور الذي يمكن تحقيقه بالجهد المتاح كان محدودًا. وللحصول على نطاق كامل من التحكم، سيحتاجون إما إلى عامل جودة أعلى أو جهد كهربائي أكبر، لكن الجهد محدود بخصائص المادة. واقترحوا أن التحسينات المستقبلية يمكن أن تأتي من تحسين شكل الهوائيات لتعظيم إزاحة الطور أو من استخدام تقنيات تصنيع أفضل لضمان تصرف كل هوائي بنفس الطريقة تمامًا. وبالرغم من هذه القيود، فإن العمل يثبت أنه من الممكن إنشاء جهاز لتوجيه الشعاع قابل لإعادة التشكيل كهربائيًا، وسريع، ومدمج.

يقدم هذا النهج مسارًا جديدًا للتقنيات التي تتطلب تحكمًا سريعًا ودقيقًا في الضوء. في المستقبل، يمكن استخدام مثل هذه الأسطح في أنظمة الكشف عن الضوء وتحديد المدى، المعروفة باسم "ليدار" (LiDAR)، والتي تعد حاسمة للمركبات ذاتية القيادة. كما يمكنها تمكين الاتصالات البصرية في الفضاء الحر، حيث تُرسل البيانات عبر الهواء باستخدام أشعة الضوء بدلاً من كابلات الألياف. إن القدرة على توجيه الشعاع دون أجزاء متحركة تجعل هذه الأنظمة أكثر متانة وربما أقل تكلفة في التصنيع. علاوة على ذلك، نظرًا لأن زاوية التوجيه يحددها النمط الكهربائي، يمكن برمجة شريحة واحدة نظريًا لتشير إلى اتجاهات عديدة مختلفة أو حتى لإنشاء أشكال أكثر تعقيدًا، مثل العدسات التي يمكن تركيزها وتفريقها إلكترونيًا. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال تغيير نمط الأسلاك ببساطة، يمكنهم التبديل بين زوايا مختلفة، مما يوضح أن مصفوفة واحدة من الهوائيات النانوية المتطابقة يمكن أن تؤدي وظائف متعددة.

يعتبر هذا العمل خطوة مهمة للأمام في مجال "الميتا-سطوح" (metasurfaces)، وهي أسطح هندسية مصممة للتحكم في الضوء بطرق لا تستطيع المواد الطبيعية القيام بها. ومن خلال الجمع بين سرعة نيوبات الليثيوم ودقة الهياكل السيليكونية النانوية، أثبت الفريق أن التوجيه عالي السرعة والمحدد كهربائيًا هو أمر ممكن. لقد قدموا قواعد تصميم واضحة لكيفية الموازنة بين الحاجة إلى رنين عالي الجودة والحاجة إلى تحكم مستقل، مما يوفر مخططًا للأجهزة المستقبلية. وتؤكد النتائج أنه بينما تكون كفاءة النموذج الأولي الحالي متواضلة، فإن الفيزياء الأساسية تسمح بنظام يكون سريعًا ومرنًا في آن واحد، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة البصرية التي يمكنها التكيف مع بيئتها في الوقت الفعلي.