Optical Tamm states-induced tunable triple-band spin-dependent near-perfect absorption in a magnetic Weyl semimetal-Fibonacci heterostructure

في عالم الضوء والمادة، سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة لفرز الضوء بناءً على "لفه" (spin)، وهي خاصية أساسية تجعل موجات الضوء تلتف إما إلى اليسار أو إلى اليمين. وتعد هذه القدرة حاسمة للجيل القادم من الحوسبة والاتصالات، حيث يمكن حمل المعلومات من خلال اتجاه هذا الالتفاف بدلاً من مجرد شدة الشعاع. تقليدياً، كان تحقيق هذا النوع من الفصل يتطلب معدات ضخمة ومغناطيسات خارجية قوية لإجبار الضوء على التصرف بطريقة معينة. ومع ذلك، توفر فئة جديدة من المواد تُعرف باسم "أشباه معادن وايل المغناطيسية" (magnetic Weyl semimetals) مساراً مختلفاً. هذه المواد هي بلورات صلبة، وبسبب بنيتها الداخلية الفريدة، تخلق طبيعياً تأثيراً يشبه التأثير المغناطيسي للإلكترونات دون الحاجة إلى أي مساعدة خارجية. وتسمح هذه الخاصية الجوهرية لها بالتفاعل بشكل مختلف مع الضوء الذي يلتف لليسار والضوء الذي يلتف لليمين، حتى في بيئة خالية تماماً من المغناطيس. لقد كان التحدي يكمن في أنه بينما تمتاز هذه المواد بقدرة ممتازة على التمييز بين نوعي الضوء، إلا أنها ليست جيدة جداً في التقاطه أو امتصاصه. ولبناء أجهزة مفيدة، يحتاج الباحثون إلى طريقة لحبس الضوء داخل المادة لفترة كافية ليتم امتصاصه، ويحتاجون أيضاً للقيام بذلك لعدة ألوان من الضوء في وقت واحد، وليس لوناً واحداً فقط.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن حلاً يجمع بين هذه البلورات المغناطيسية وطبقة هندسية مصممة خصيصاً من الطبقات الشفافة لإنشاء جهاز قادر على امتصاص جميع الضوء الوارد تقريباً عند ثلاثة ترددات متميزة في آن واحد. يضع الهيكل الذي صمموه غشاءً رقيقاً من المادة المغناطيسية فوق تتابع من الطبقات العازلة (dielectric layers) المرتبة وفق نمط يُعرف بتسلسل فيبوناتشي. هذا النمط ليس عشوائياً، ولا هو حلقة بسيطة متكررة؛ بل يتبع قاعدة رياضية حيث ينمو ترتيب الطبقات بطريقة تخلق بنية تشبه الفركتلات (الكسيريات) ذاتية التشابه. عندما يصطدم الضوء بهذا المكدس، فإنه يُحبس في منطقة محددة بين الغشاء المغناطيسي والنمط الطبقي، وهي ظاهرة تُعرف باسم "حالة تام البصرية" (optical Tamm state). فكر في الأمر كآلة موسيقية يسمح شكل جسمها بالرنين بشكل مثالي عند ثلاث نوتات محددة في آن واحد، بدلاً من نوتة واحدة؛ وفي هذه الحالة، "النوتات" هي ترددات الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى البعيدة، و"الآلة" هي المكدس الطبقي الهندسي.

استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة لنمذجة كيفية سلوك هذا الهيكل عند تعرضه للضوء. ووجدوا أن الجهاز يمتص بنجاح كل الضوء الذي يصطدم به تقريباً، ولكن مع تحول مذهل: فهو يمتص الضوء الذي يلتف لليسار والضوء الذي يلتف لليمين عند ترددات مختلفة قليلاً. وهذا يعني أنه في أي لحظة معينة، يعمل الجهاز كإسفنجة مثالية لنوع واحد من اللف بينما يسمح للنوع الآخر بالمرور أو الانعكاس. يحدث هذا الفصل بشكل طبيعي عبر ثلاثة نطاقات من الطيف، مما يخلق فعلياً ثلاث قنوات مستقلة لمعالجة المعلومات. وتُظهر الدراسة أن مواقع وشدة قمم الامتصاص هذه يمكن ضبطها بدقة من خلال تعديل الخصائص الفيزيائية للمواد. فعلى سبيل المثال، تغيير المسافات الداخلية للذرات المغناطيسية أو مستوى طاقة الإلكترونات داخل البلورة يؤدي إلى إزاحة الترددات التي يحدث عندها الامتصاص. وبالمثل، فإن تغيير سمك الطبقة الفاصلة أو معامل انكسار المواد في المكدس يسمح للعلماء بضبط الامتصاص صعوداً أو هبوطاً، أو نقل مجموعة القنوات الثلاث بأكملها إلى جزء آخر من الطيف.

إن أحد أهم النتائج التي توصل إليها الباحثون هو إمكانية التحكم في نطاقات الامتصاص الثلاثة باستخدام معاملات متميزة تؤثر على النظام ككل. فمن خلال ضبط فصل عقد وايل (Weyl node separation)، أو مستوى فيرمي (Fermi level)، أو سمك الطبقة العازلة، يمكنهم ضبط تردد الرنين وكثافة الامتصاص للنطاقات الثلاثة بشكل مستقل. وقد أثبتت الطبقات ذات المعامل المرتفع في المكدس أنها حساسة للغاية، حيث أدت التغييرات الطفيفة في السمك إلى إزاحات كبيرة في ترددات الضوء، بينما سمحت الطبقات الأخرى بإجراء تعديلات أكثر اعتدالاً. يشير هذا المستوى من التحكم إلى أن التصميم يمكن استخدامه لبناء أجهزة مدمجة ومتكاملة تتعامل مع تدفقات متعددة من المعلومات القائمة على اللف بشكل متوازٍ. وخلافاً للتصاميم القديمة التي لم تكن تستطيع إدارة سوى قناة واحدة من الضوء، يكسر هذا النهج ذلك القيد باستخدام البنية المعقدة متعددة الطبقات لدعم رنينات متعددة في وقت واحد. وتوضح هذه الدراسة أنه من خلال الجمع بين الخصائص المغناطيسية الجوهرية لأشباه معادن وايل وقدرات حبس الضوء الفريدة للهياكل شبه الدورية، من الممكن إنشاء نظام يتسم بالكفاءة العالية والقابلية العالية للضبط، مما يمهد الطريق لتقنيات فوتونية أكثر تطوراً تعتمد على اللف.