Deep-Subwavelength Plasmon Polariton Atomic Cavity Nano-detector for Polarimetric Terahertz Detection and Imaging

يحتل إشعاع التراهرتز زاوية فريدة وغالباً ما يصعب الوصول إليها في الطيف الكهرومغناطيسي، حيث يقع بين الموجات الدقيقة المستخدمة في تقنية "واي فاي" والأشعة تحت الحمراء التي تُحس كحرارة. وتعد هذه الحزمة من الطاقة قيمة لأنها تستطيع النفاذ عبر العديد من المواد الشائعة مثل الملابس والبلاستيك والورق المقوى دون إلحاق الضرر بالأنسجة الحية، ومع ذلك فهي تنعكس عن المعادن وتتفاعل مع البنية الجزيئية للمواد الكيميائية. وهذا يجعلها أداة قوية للرؤية داخل الطرود المختومة، أو فحص الرقائق الإلكترونية بحثاً عن عيوب خفية، أو إنشاء صور أمنية مفصلة. ومع ذلك، فقد كان التقاط هذا الإشعاع بفعالية تحدياً طويلاً؛ إذ غالباً ما تكون المستشعرات التقليدية ضخمة، أو تتطلب درجات حرارة منخفضة جداً لتعمل، أو تكون بطيئة جداً في التقاط الأحداث سريعة الحركة. علاوة على ذلك، ولأن موجات التراهرتز طويلة جداً مقارنة بالمعالم الدقيقة للإلكترونيات الحديثة، فإن تصغير المستشعر إلى حجم مجهري عادة ما يؤدي إلى فقدانه القدرة على "الشعور" بالموجات، حيث يصبح التفاعل بين الموجة والكاشف ضعيفاً جداً بحيث يصعب قياسه.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة "سون يات سين" نوعاً جديداً من المستشعرات يتغلب على هذه العقبات من خلال الجمع بين التصغير الفائق والاستخدام الذكي لهندسة حبس الضوء. فقد ابتكروا جهازاً صغيراً جداً لدرجة أنه يتناسب ضمن مساحة أصغر بنحو ستين مرة من الطول الموجي لضوء التراهرتز الذي يكشفه، ومع ذلك يظل عالي الحساسية والسرعة. ويكمن جوهر هذا الاختراع في طبقة مسطحة من الكربون بسمك ذرة واحدة تُعرف باسم "الجرافين"، وقد تم تشكيلها في مصفوفة محددة من الأشكال المستطيلة الصغيرة. فعندما تصطدم موجات التهرتز بهذه المستطيلات، تُحبس الموجات وتتركز داخل الفجوات الصغيرة، تماماً مثل تراكم الصوت في غرفة صغيرة. هذا التركيز يجبر الضوء على التفاعل بقوة مع الجرافين، رغم أن المادة رقيقة للغاية. ولا يحتاج الجهاز إلى عدسات خارجية أو هوائيات ضخمة ليعمل؛ إذ يعمل الجرافين المنقوش نفسه كصائد للموجات وكسلك لنقل الإشارة الناتجة.

وجد الباحثون أنه من خلال تغيير شكل الأنماط المستطيلة، يمكنهم ضبط المستشعر ليستجيب لترددات مختلفة من ضوء التراهرتز. والأهم من ذلك، أن الشكل المستطيل منح المستشعر حساً داخلياً بالاتجاه. فتماماً كما تسمح النافذة بدخول المزيد من الضوء عندما تكون الشمس في مواجهتها مباشرة أكثر مما لو كانت جانباً، تستجيب هذه المستشعرات بقوة عندما تصطدم بها موجات التراهرتز من زاوية معينة وتستجيب بضعف من زوايا أخرى. وهذا يسمح للجهاز بتمييز اتجاه الموجات القادمة دون الحاجة إلى أجزاء متحركة أو مرشحات إضافية. وفي تجاربهم، أظهر الفريق أن المستشعر يمكنه اكتشاف الموجات عبر نطاق واسع من الترددات، من 0.53 إلى 4.24 تهرتز، مع درجة عالية من الدقة في تحديد اتجاه الموجة.

إن أحد أبرز الإنجازات في هذا العمل هو السرعة التي يعمل بها المستشعر. فبسبب صغر المساحة النشطة للجهاز، تقطع الحرارة المتولدة عن الضوء الممتص مسافة قصيرة جداً قبل تحويلها إلى إشارة كهربائية. وهذا يسمح للمستشعر بالاستجابة في غضون 230 بيكو ثانية فقط، وهو إطار زمني قصير جداً لدرجة أنه أسرع من معظم كواشف التراهرتز الموجودة. وقد قاس الفريق قدرة الجهاز على اكتشاف الإشارات الضعيفة ووجد أنه يمكنه تحديد مستويات طاقة منخفضة تصل إلى 16 بيكو واط، وهي حساسية تضاهي الأنظمة الأكبر والأكثر تعقيداً. ويعمل المستشعر في درجة حرارة الغرفة، مما يعني أنه لا يتطلب معدات تبريد ثقيلة تحد من أداء العديد من الكواشف عالية الأداء الأخرى.

ولإثبات القيمة العملية لهذه التكنولوجيا، استخدم الباحثون مستشعرهم لالتقاط صور لشريحة أشباه موصلات مختومة. ومن خلال تحليل كيفية انعكاس موجات التراهرتز عن الشريحة وتغير استقطابها، تمكن المستشعر من التمييز بوضوح بين الخطوط المعدنية الموصلة والمناطق غير الموصلة داخل العبوة، وكل ذلك دون فتح الشريحة. وتشير هذه القدرة إلى إمكانية استخدام مثل هذه المستشعرات لفحص الإلكترونيات الدقيقة بحثاً عن عيوب أو لرؤية الهياكل الخفية بطريقة كانت مستحيلة سابقاً باستخدام جهاز بهذا الصغر والسرعة والبساطة. ويظهر هذا العمل أنه من خلال هندسة شكل المادة بدقة على المقياس الذري، يمكن جعل الضوء يسلك سلوكيات تتحدى الحدود المعتادة للحجم، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من أدوات التصوير المدمجة وعالية السرعة.