تعتبر الأجهزة الضوئية، التي تعتمد على الضوء بدلاً من الكهرباء، أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة مقارنة بالإلكترونيات الحالية.
المفاتيح الضوئية المرنة تعد بوعد سريع ومنخفض الطاقة للمنطق
تعتبر الأجهزة الضوئية، التي تعتمد على الضوء بدلاً من الكهرباء، أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة مقارنة بالإلكترونيات الحالية. كما أنها تقدم فرصة فريدة لتطوير أجهزة باستخدام مواد ناعمة، مثل البوليمرات والجلود، التي تعتبر موصلات ضعيفة للكهرباء، لكنها أسهل في التصنيع وأكثر صداقة للبيئة. ومع ذلك، يتطلب تطوير هذه الأجهزة الضوئية المرنة القدرة على التحكم في الضوء باستخدام الضوء فقط، وليس الكهرباء.
تقنيات جديدة للتحكم في الضوء
في المواد اللينة، تم تحقيق ذلك بشكل أساسي من خلال تغيير الخصائص الفيزيائية للمواد البصرية أو باستخدام نبضات ضوئية مكثفة لتغيير اتجاه الضوء. الآن، طورت مجموعة دولية من العلماء طريقة جديدة للتحكم في الضوء باستخدام الضوء مع كثافات ضوئية منخفضة جداً ودون تغيير أي من الخصائص الفيزيائية للمواد.
يقول إيغور موشيفيتش، أستاذ الفيزياء في جامعة ليوبليانا الذي قاد المشروع، إنه حصل على فكرة الجهاز أثناء مؤتمر في سان فرانسيسكو، حيث استمع إلى حديث ستيفان و. هيل حول المجهر باستخدام انبعاث التحفيز (STED). تستخدم هذه التقنية التصويرية، التي حصل هيل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2014، ليزرين لإنتاج شعاع ضوئي صغير جداً لمسح الأجسام. “عندما رأيت ذلك، قلت، هذه هي Manipulation light by light، أليس كذلك؟” يتذكر موشيفيتش.
آلية عمل الجهاز
أدى إدراكه إلى جهاز يتم فيه إطلاق نبضة ليزر. يعتمد ما إذا كانت هذه الشعاع ستخرج من الجهاز على ما إذا كانت نبضة ثانية قد أُطلقت بعد أقل من نانو ثانية.
يتكون الجهاز من كرة سائلة كريستالية ذات شكل كروي، محاطة بخصائصها المادية المرنة والقوى بين جزيئاتها، مشبعة بصبغة فلورية ومحبوسة بين أربعة هياكل بوليمرية مخروطية الشكل التي توجه الضوء داخل وخارج الجهاز. عندما يتم إرسال نبضة ليزر من خلال أحد الموجات البوليمرية الأربعة، يتم نقل الضوء بسرعة إلى السائل الكريستالي، مما يثير الصبغة الفلورية. في عملية تُعرف باسم رنين وضعية الهمسات، يتم عكس الفوتونات داخل السائل الكريستالي في كل مرة تضرب فيها السطح الكروي للسائل. والنتيجة هي أن الضوء يدور داخل التجويف حتى يتم عكسه في النهاية إلى أحد الموجات، والتي تقوم بعد ذلك بإصدار الفوتونات في شعاع ليزر.
الكفاءة الطاقية
أدرك الفريق أن إرسال نبضة ليزر ثانية بلون مختلف إلى الموجات قبل أن يبدأ السائل الكريستالي في إصدار الضوء من النبضة الأولى أدى إلى انبعاث تحفيزي لجزيئات الصبغة المثارة. تتفاعل الفوتونات من النبضة الثانية، التي كان يجب إطلاقها في الموجات بعد النبضة الأولى، مع جزيئات الصبغة المثارة بالفعل. يتسبب التفاعل في إصدار الصبغة لفوتونات متطابقة مع تلك الموجودة في النبضة الثانية مع استنفاد الطاقة من النبضة الأولى. يتم تعزيز شعاع الليزر الثاني، المعروف بشعاع STED، من خلال هذه العملية، بينما يتم تقليل الضوء من النبضة الأولى لدرجة أنه لا يتم إصداره على الإطلاق. نظرًا لأن نتيجة النبضة الأولى يمكن التحكم فيها باستخدام النبضة الثانية، فقد أظهر الفريق بنجاح التحكم في الضوء بواسطة الضوء.
فرص جديدة في الحوسبة الضوئية
وفقًا لفريق ليوبليانا، فإن كفاءة الطاقة في نهج السائل الكريستالي أفضل بكثير من التقنيات السابقة في المواد اللينة، والتي كانت تتطلب عادةً استخدام مجالات ضوئية مكثفة لتغيير خصائص المواد اللينة، مثل معامل الانكسار. تقلل الطريقة الجديدة من الطاقة المطلوبة بأكثر من مئة مرة. نظرًا لأن نبضة ليزر STED تدور بشكل متكرر في الكريستال، يمكن لفوتون واحد استنفاد العديد من جزيئات الصبغة من الطاقة من النبضة الأولى.
يشرح ميها رافنيك، فيزيائي نظري أيضًا في جامعة ليوبليانا والذي عمل على المشروع، أن التحكم في الضوء بواسطة الضوء ضروري في بوابات المنطق الضوئية في المواد اللينة. “يمكنك التحكم بشكل كبير في متى [يتم] توليد الضوء وفي أي اتجاه”، يقول رافنيك عن الضوء الذي يتم تسليطه في الموجات البوليمرية. “وهذا يمنحك، إذن، هذه القدرة على إنشاء عمليات منطقية باستخدام الضوء.”
المزايا الفنية للأجهزة الضوئية اللينة
بخلاف إمكانياته في الدوائر المنطقية الضوئية، يقدم نهج الفريق العديد من المزايا التقنية مقارنة بالأجهزة الضوئية المصنوعة من السيليكون أو المواد الصلبة الأخرى، كما يقول موشيفيتش. على سبيل المثال، تبسط المواد اللينة عملية التصنيع بشكل كبير. يمكن إدخال السائل الكريستالي في جهاز الفريق في أقل من ثانية، لكن تصنيع هيكل مشابه باستخدام المواد الصلبة أمر صعب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع الأجهزة اللينة عند درجات حرارة أقل بكثير من السيليكون والمواد الصلبة الأخرى. يشير موشيفيتش أيضًا إلى أن المواد اللينة تقدم فرصة للتجربة مع هندسة الجهاز. مع الكريستالات السائلة “يمكنك صنع أنواع مختلفة من التجاويف”، يقول موشيفيتش. “لديك، أود أن أقول، مساحة هندسية كبيرة.”
التطلعات المستقبلية
يعبّر رافنيك عن حماسه لإمكانات اختراق الفريق، خاصة كخطوة نحو الحوسبة الضوئية وحتى الشبكات العصبية الضوئية. لكنه يعترف بأن هذه التطورات بعيدة جداً. “لا توجد طريقة يمكن أن تنافس هذه التكنولوجيا مع تنفيذ الشبكات العصبية الحالية على الإطلاق”، يعترف. ومع ذلك، فإن الاحتمالات مثيرة. “من المتوقع أن تكون خسائر الطاقة منخفضة للغاية، والسرعات للحساب عالية جداً.”
تقدم المفاتيح الضوئية المرنة فرصاً جديدة في الحوسبة الضوئية مع كفاءة طاقة عالية وسرعات حسابية مذهلة.
