پیشرفتی در مدارهای فوتونیکی

محققان ژاپنی برای نخستین بار نشان دادند که می‌توان فوتون‌ها را بر روی سطح بلورهای فوتونیکی سه‌بعدی (نانوساختار مصنوعی برای نور) همانند فضای درونی این بلورها اصلاح نمود. این تحقیق می‌تواند به ساخت مدارهای فوتونیکی پیشرفته، حسگرهای حساس و نانوابزارهای فوتونیکی منجر گردد.

محققان ژاپنی برای نخستین بار نشان دادند که می‌توان فوتون‌ها را بر روی سطح
بلورهای فوتونیکی سه‌بعدی (نانوساختار مصنوعی برای نور) همانند فضای درونی این
بلورها اصلاح نمود. این تحقیق می‌تواند به ساخت مدارهای فوتونیکی پیشرفته،
حسگرهای حساس و نانوابزارهای فوتونیکی منجر گردد.

بلورهای فوتونیکی را می‌توان به‌عنوان نانوساختاری در نظرگرفت که در آنها برخی
از ارتعاشات تناوبی از برخی از خصوصیات (معمولاً نفوذپذیری الکتریکی ماده)،
باعث ایجاد یک «باندگپ» فوتونیکی می شوند. چنین باند گپی بر روی نحوه‌ی انتشار
فوتون‌ها بر روی ماده تأثیر می‌گذارد. این اثر همانند اثری است که یک پتانسیل
تناوبی در نیمه‌رساناها بر روی شارش الکترون‌ها از طریق تعریف باندهای انرژی
مجاز و ممنوعه می‌گذارد. در مورد بلورهای فوتونیکی باید گفت که فوتون‌هایی با
طول موج‌ها و انرژی‌های باند گپ فوتونیک نمی‌توانند در میان بلور جابه‌جا شوند
و این امر به دانشمندان امکان می‌دهد تا شارش نور را از طریق قرار دادن عیوبی
گزینشی در درون ماده کنترل و اصلاح کنند.

تاکنون محققان تنها قادر بودند تا فوتون‌ها را در محیط داخلی چنین بلورهایی از
طریق ایجاد عیوب درونی، اصلاح کنند؛ اما اخیراً سوسومو نودا و کنجی ایشی‌زاکی
از دانشگاه کیوتو دریافتند که می‌توان فوتون‌ها را روی سطح بلورهای فوتونیکی
سه‌بعدی نیز اصلاح نمود. بنا بر اظهارات دانشمندان مذکور این اثر راهکاری جدید
و آسان برای اصلاح فوتون‌ها عرضه می‌کند و ممکن است روزی برای بهره‌گیری از
بلورهای فوتونیکی به‌منظور کنترل نور در مدارهای نوری، سودمند واقع شود.

نودا و ایشی‌زاکی به‌منظور دستیابی به این نتایج، برای نخستین بار نشان دادند
که بلورهای فوتونیکی سه‌بعدی دارای حالت‌های سطحی هستند و آن فوتون‌ها
می‌توانند در این حالت‌ها محدود و منتشر گردند، سپس نشان دادند که فوتون‌ها
می‌توانند در نقاط سطحی‌ از طریق تشکیل یک گپ‌مود سطحی و معرفی ساختارهای معیوب
سطحی، جای‌گزیده شوند. آنها به نتایج شگفت‌آوری برخوردند و به ضرایب کیفیت یا Q
حداکثر ۹ هزار ـ که بالاترین میزان گزارش‌شده برای نانومحفظه‌های بلوری
فوتونیکی سه‌بعدی است ـ دست یافتند. ضرایب Q نشان‌دهنده‌ی تقید یا مدت‌ زمانی
است که می‌توان تحت آن فوتون‌ها را در یک نانومحفظه محدود نمود و بالاتر بودن
آن نتیجه‌ی بهتری برای تحقیق محسوب می‌‌گردد.

نودا در این‌ باره گفت: «تحقیق ما نشان‌دهنده‌ی گام مهمی برای دستیابی به یک
راهکار جدید به‌منظور اصلاح فوتون‌ها از طریق بلورهای فوتونیکی سه‌بعدی است.
دستیابی به نور از محیط بیرونی این بلورها در قیاس با اصلاح نور در محیط درونی
آنها کار آسان‌تری است».

از آنجایی که سطح بلور فوتونیکی سه‌بعدی، نور جذب نمی‌کند می‌توان از آن
به‌عنوان نوع جدیدی از حسگر استفاده کرد. این حسگر جدید از طریق آشکارسازی وجود
یک ماده‌ی شیمیایی یا زیستی با تغییری در ضریب شکست مؤثر سیستم نانومحفظه عمل
می‌کند. دیگر کاربردهای این ابزار عبارتند از: مدارهای فوتونیکی پیشرفته و
ابزارهای نانوفوتونیکی جدید همانند پیل‌های خورشیدی و LEDهای ارتقا‌یافته.

هم‌اکنون تعداد لایه‌های انباشته‌شده در بلورهای فوتونیکی که به‌وسیله‌ی نودا و
ایشی‌زاکی ساخته شده‌اند، هشت عدد است و این محققان مایلند تا این تعداد را
افزایش دهند؛ چرا که این کار به محدودیت بهتر نور و کاهش نشت نور از میان
لایه‌های زیرین می‌انجامد. آنها همچنین می‌خواهند تا برای دستیابی به برخی از
کاربردهای مذکور نیز تلاشی داشته باشند.

نتایج این تحقیق در نشریه‌ی Nature به چاپ رسیده‌است.