علماء الفيزياء يقترحون طريقة ل تجديل الضوء
قام علماء الفيزياء باقتراح طريقة لتجديل ثلاث أشعة من الضوء عن طريق توجيه هذه الأشعة على دوامات متموضعة بشكل لولبي على طول الوسط البصري الذي تنتقل عبره الأشعة.
بحيث اكتسب الضوء طبيعة “غير إبدالية” استثنائية، مما يعني أن شكله سيعتمد على الترتيب الذي ستكونه الدوامات ملتفة حول بعضها البعض.
وقام علماء الفيزياء (توماس أيديكلا وتوماس شوستر وكلاوديو تشيمان) بنشر ورقة علمية في العدد الأخير من مجلة Physical Review Letters عن التجديل غير الإبدالي للضوء.
وكما شرح العلماء، يُعد الضوء المجدول غير الإبدالي النظير البصري لظاهرة مماثلة تحدث في الأنظمة الإلكترونية، تُدعى (اختلاف الطور المكتسب على مدى دورة: Berry phases) غير الإبدالي، المعروف منذ حوالي عام 1980.
بحيث يمكن هندسة الوسط الإلكتروني الذي تنتشر من خلاله الإلكترونات بشكل يجعله ذو عيوب طوبولوجية، كالدوامات، والتي يمكنها الإلتفاف حول بعضها البعض مُشكلةً جديلة.
وتسمى حالات الطاقة هذه بالأنماط الصفرية (متجه ذاتي ذو قيمة ذاتية متلاشية)، التي تحمل الشحنات الكسرية لشحنة إلكترون كاملة، التي تربط الدوامات المجدولة وتعمل كمُوجه للشحنات المنتشرة.
حددت الدراسة الجديدة للمرة الأولى ثبوت وجود الأنماط الصفرية في الأنظمة البصرية، إلى جانب قدرتها على أن تكون مجدولة.
ويقترح العلماء أنه يمكن ترتيب مجموعة من موجهي الموجات في نموذج يحتوي على دوامات، حيث يتم حفر أو نقش الأماكن الدقيقة للدوامات في الوسط البصري باستخدام ليزر الفيمتو ثانية .
كل دوامة يمكنها اصطياد شعاع ضوء، لذلك يتتبع الضوء المسار المجدول في أثناء انتشاره عبر الوسط.
أخبر أيديكلا الموقع العلمي Phys.org قائلاً (تكمن أهمية هذا العمل في كونه يدل على وجود عيوب ذات تجديل غير إبدالي في الأنظمة البصرية أكثر من الأنظمة الإلكترونية.
مثل هذه العيوب مطلوبة بفاعلية في سياق أنظمة إلكترونيات الجوامد، لكن استطاع التماثل البصري الذي أشرنا إليه في هذا العمل توفير سبيل آخر لرصد التجديل غير الإبدالي.
ونعتبر أن ميزة الأنظمة البصرية هي أنها تتمتع بدرجة عالية من قابلية التوليف التي تتيح لنا التحكم بدقة في مسارات العيوب في أثناء التجديل).
تعني الطبيعة غير الإبدالية لعملية التجديل في كل من الأنظمة الإلكترونية والأنظمة البصرية أن عمل الجدائل نفسها بترتيب مختلف يعطي نتائجًا مختلفة.
تنشأ الطبيعة غير الإبدالية مباشرة من الطوبولجيا المجدولة للأنماط الصفرية، وتختلف عن معظم العمليات التي لا يعتمد فيها الضوء أو شحنات الموجه على ترتيب الخطوات في العملية.
يقول أيديكلا (الحقيقة أن سلوك الضوء المجدول بطريقة غير إبدالية مثير للاهتمام لأنه يخلق استعراضًا حيًا للطوبولوجيا في الفيزياء. الدوامات المستخدمة لاصطياد الضوء وتجديله هي عبارة عن عيوب طوبولوجية في الشكل المُنتظم لشبكية الدليل الموجي. نحن نرى أنه من الممكن استخدام شبكية الدليل الموجي الطوبولوجية هذه في عناصر الدائرة البصرية، وهذه وسيلة نحن شغوفين بمتابعتها أكثر).
يوجد جانب هام آخر للأنماط الصفرية البصرية وهو أنه في أثناء حدوثها على مستوى كمي بعدد قليل من الفوتونات، تستمر الظاهرة حتى لو عدد الفوتونات كبير. لهذا السبب، يمكن فهم الضوء المجدول باستخدام التفسير الكلاسيكي والتفسير الكمي للضوء.
يتوقع الباحثون أنه يمكن تكوين الضوء المجدول بشكل تجريبي باستخدام التكنولوجيا الحالية، وقد اقترحوا تجربة لعمل ذلك.
تستخدم التجربة مقياس التداخل حيث يتم تجديل الضوء بترتيب مختلف في شكل ذراعين.
ومن ثم تقيس الكاشفات ما إذا كانت التراتيب المختلفة للتجديل تنتج أشكال مختلفة للضوء، مقدمة دليلاً على طبيعة الضوء غير الإبدالية.
قال أيديكلا (إننا نعتزم العمل مع علماء تجريبيين في مجال بصريات الدليل الموجي لتنفيذ التجربة التي اقترحناها، نود أيضا تحديد ما إذا كان يوجد أنظمة أو منصات بصريات أخرى يمكنها دعم “الأنماط الموجهة طوبولجيا” التي نتدارسها في البحث).
ترجمة: نهى سليمان
تدقيق: بدر الفراك
المصدر
