Programming the Nonlinear Optics of a Nanoporous Photonic Metamaterial by Confined Crystallization

عادة ما يتصرف الضوء وفقاً للمواد التي يمر من خلالها. فإذا انتقل شعاع عبر الزجاج، فإنه ينكسر؛ وإذا اصطدم بمرآة، فإنه يرتد. ولكن في فرع متخصص من الفيزياء يسمى "الفوتونيات"، تعلم العلماء خداع الضوء عن طريق ترتيب المادة في هياكل صغيرة جداً لدرجة أن الضوء لا يستطيع "رؤية" الذرات الفردية. بدلاً من ذلك، يستجيب الضوء لشكل وهيكل البنية نفسها. تخيل غابة كثيفة جداً لدرجة أن طائراً يطير عبرها لا يرى سوى جدار أخضر صلب، وليس أشجاراً فردية. في هذا المجال، يمكن للباحثين تصميم مواد تعمل كمادة واحدة موحدة ذات خصائص لا وجود لها في الطبيعة. أحد أكثر الاحتمالات إثارة في هذا المجال هو إنشاء مواد يمكنها تغيير لون الضوء، وهي عملية تُعرف باسم "تحويل التردد"، وهي ضرورية لأجهزة الليزر المتقدمة والاتصالات السلكية واللاسلكية. وللقيام بذلك، يحتاج العلماء إلى مواد ليست مهيكلة بدقة فحسب، بل تمتلك أيضاً تناظراً داخلياً محدداً يسمح لها بالتفاعل مع الضوء بطريقة غير خطية.

كان التحدي يكمن في أن إنشاء مثل هذه المواد يتطلب عادةً تصنيعاً معقداً يثبت خصائص المادة في مكانها بمجرد صنعها. وبمجرد بنائها، لا يمكن إعادة برمجة المادة بسهولة. وقد وجدت دراسة جديدة أجراها فريق من الباحثين من أوكرانيا وفرنسا وألمانيا وبولندا طريقة لتجاوز هذا القيد. فقد طوروا طريقة لـ "برمجة" السلوك البصري للمادة بعد تصنيعها، ببساطة عن طريق التحكم في كيفية تحول سائل إلى صلب داخل أنفاق صغيرة غير مرئية. والنتيجة هي مادة يمكن التبديل بين حالتين مختلفتين تماماً: حالة تتعامل مع الضوء بنفس الطريقة من جميع الاتجاهات، وحالة أخرى لها تفضيل اتجاهي قوي ومحدد. يشير هذا الاختراق إلى مستقبل يمكن فيه كتابة وإعادة كتابة الخصائص البصرية للأجهزة المتقدمة أثناء عملية التصنيع، بدلاً من أن تكون ثابتة بقرار اختيار المواد الخام.

استخدم الباحثون غشاءً مصنوعاً من أكسيد الألومنيوم الأنودي، وهي مادة تبدو كلوح صلب ولكنها في الواقع غابة كثيفة من الأنفاق الأسطوانية المتوازية. هذه الأنفاق صغيرة للغاية، حيث يتراوح قطرها بين 32 إلى 270 نانومتر - أي أنها أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان. ولتحويل هذا الغشاء الخامل إلى جهاز بصري نشط، قام الفريق بملء هذه الأنفاق بمادة تسمى "بنزيل". البنزيل هو بلورة جزيئية يمكنها، عندما يتم ترتيبها بشكل صحيح، تغيير لون الضوء المار من خلالها. لم يكن المفتاح في التجربة مجرد ملء الأنفاق، بل التحكم في كيفية تصلب البنزيل داخلها. اختبر الفريق طريقتين متمايزتين للتبلور. في الطريقة الأولى، تركوا البنزيل يتجمد بشكل مستقل داخل كل نفق، دون أي اتصال مع الجيران. وفي الطريقة الثانية، أنشأوا طبقة مستمرة من البنزيل الصلب عند قاعدة الغشاء، والتي عملت كبذرة، مما أجبر البنزيل في كل نفق على الاصطفاف مع نفس الاتجاه أثناء نموه للأعلى.

عندما تجمد البنزيل بشكل مستقل في كل نفق، كانت النتيجة مادة تبدو متجانسة بصرياً. وعلى الرغم من أن جزيئات البنزيل داخل كل نفق صغير كانت مصطفة مع جدران النفق، إلا أن الاتجاه الذي تشير إليه حول دائرة النفق كان عشوائياً تماماً من نفق إلى آخر. كان الأمر كما لو أن كل نفق يحتوي على إبرة بوصلة تشير للأعلى، لكن الإبر كانت تدور في جميع الاتجاهات الممكنة حول المحور الرأسي. عندما ضرب الضوء هذا الغشاء، ألغت التوجهات العشوائية بعضها البعض على نطاق واسم. استجابت المادة للضوء بنفس الطريقة بغض النظر عن استقطاب الضوء، وتصرفت كمادة ليس لها اتجاه مفضل. أكد هذا أنه بينما كانت الأنفاق الفردية نشطة، فإن عدم التنسيق بينها منع المادة من إظهار تأثير اتجاهي جماعي قوي.

ومع ذلك، عندما استخدم الباحثون الطريقة الثانية، وهي تلقيح التبلور من طبقة صلبة في الأسفل، تغيرت النتيجة بشكل كبير. عملت الطبقة الصلبة كقالب رئيسي، مما أجبر بلورات البنزيل في جميع الأنفاق على النمو في نفس الاتجاه. فجأة، توقف الدوران العشوائي. أصبح الغشاء بأكمله، الذي يمتد لمسافات تحت المليمتر، يمتلك اتجاهاً موحداً. وعندما ضرب الضوء هذه المادة، استجابت بقوة وبشكل محدد لزاوية الضوء، وتصرفت كمادة ذات تباين اتجاهي (anisotropy) متميز ومبرمج. استطاع الباحثون أساساً تحويل المادة من كونها "غير مرئية" بصرياً من حيث الاتجاه إلى كونها عالية التوجيه، ببساطة عن طريق تغيير كيفية تبريد سائل البنزيل. أثبت هذا أن السلوك البصري الكلي للمادة لم يكن ثابتاً بفعل البنزيل أو أكسيد الألومنيوم وحدهما، بل كُتب من خلال المسار الذي اتخذه التبلور.

كشفت الدراسة أيضاً كيف تؤثر أحجام الأنفاق على قوة هذه الاستجابة البصرية. وجد الباحثون أن الأنفاق ليست مملوءة بالكامل ببلورة صلبة؛ إذ توجد طبقة رقيقة غير منظمة من المادة تلتصق بالجدران ولا تساهم في التأثير البصري. هذه الطبقة غير النشطة يبلغ سمكها حوالي 2.6 نانومتر. في الأنفاق الضيقة جداً، تشغل هذه الطبقة الميتة جزءاً كبيراً من المساحة، مما يترك مساحة ضئيلة للبلورة النشطة. ومع اتساع الأنفاق، تنمو نواة البلورة النشطة، وتصبح الاستجابة البصرية أقوى بكثير. دمج الفريق بياناتهم الجديدة مع نتائج سابقة لتجارب مماثلة باستخدام أنابيب السيليكا لإظهار أن هذه العلاقة تظل قائمة عبر مجموعة واسعة من الأحجام وحتى المواد المضيفة المختلفة. يشير هذا إلى أن سمك هذا الحد غير النشط هو حد أساسي، يتحدد بكيفية تراص الجزيئات مقابل جدار صلب، وليس من خلال الكيمياء المحددة للجدار نفسه.

ظهر اكتشاف مذهل آخر عندما نظر الباحثون في كيفية خروج الضوء من المادة. في معظم المواد المعتمة والمشتتة، يكون الضوء الذي يرتد عن السطح أقوى بكثير من الضوء الذي يمر عبرها بالكامل. ولكن في هذه الأغشية النانوية المركبة، وخاصة تلك ذات الأنفاق الأضيق، كان الضوء الذي مر عبر المادة أقوى بكثير من الضوء الذي انعكس عنها. علاوة على ذلك، لم ينتشر هذا الضوء النافذ في جميع الاتجاهات؛ بل خرج في حزمة مركزة وضيقة عند زاوية محددة. هذا السلوك، الذي عزاه الباحثون إلى الطريقة الفريدة التي يسلكها الضوء عبر مصفوفة من الأنفاق الصغيرة والمستدقة قليلاً، لم يحدث إلا عندما كانت الأنفاق صغيرة بما يكفي لتعتبر هياكل "دون الطول الموجي" (subwavelength). وهذا يؤكد أن المادة تعمل كـ "ميتاماتيريال" (metamaterial) حقيقي، حيث تملي الهندسة الجماعية للأنفاق مسار الضوء، بدلاً من مجرد خصائص البنزيل الموجود بداخلها.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد فهم كيفية تحرك الضوء عبر الثقوب الصغيرة. إن القدرة على برمجة توجه البلورات تعني أن العلماء يمكنهم الآن تصميم مواد ذات بصمة بصرية محددة وقابلة للضبط. فمن خلال اختيار مسار التبلور الصحيح، يمكنهم إنشاء مادة تكون إما متجانسة المناحي (isotropic)، تستجيب لجميع أنواع الضوء، أو عالية التباين الاتجاهي (anisotropic)، تستجيب بقوة لاتجاه معين. هذا المستوى من التحكم، الذي تم تحقيقه من خلال تغيير بسيط في عملية التبريد بدلاً من الليثوغرافيا المعقدة، يفتح الباب أمام أنواع جديدة من الأجهزة البصرية. كما لاحظ الباحثون أنه نظراً لأن المادة تحتوي على فجوات صغيرة بين البلورات والجدران، فقد يكون من الممكن ضبط خصائصها بشكل أكبر عن طريق ملء تلك الفجوات بالماء، مما سيغير كيفية انتقال الضوء عبر الهيكل. وبينما لا تزال هذه التطبيقات في مراحلها الأولى، فإن الدراسة تثبت أن الشخصية البصرية للميتاماتيريال يمكن كتابتها أثناء إنشائها، مما يوفر مساراً متعدد الاستخدامات لهندسة مستقبل الضوء.