فيزيائيون يخلقون أعاصير بصرية قد تثوّر الاتصال الكمي، وكأن الأعاصير العادية لم تكن كافية

هل يمكن للضوء أن يدور مثل الزوبعة؟ أجاب علماء من جامعة وارسو، والجامعة العسكرية للتكنولوجيا، ومعهد باسكال CNRS بـ"نعم" مدوية، مبتكرين "أعاصير بصرية" دوارة داخل هيكل صغير للغاية. يشير هذا التقدم إلى طريقة جديدة لبناء مصادر ضوء مصغرة بأشكال معقدة، والتي يمكن أن تدعم أجهزة فوتونية أبسط وأكثر قابلية للتوسع للاتصالات البصرية والتقنيات الكمومية.

"يجمع حلنا بين عدة مجالات في الفيزياء، من ميكانيكا الكم، عبر هندسة المواد، إلى البصريات وفيزياء الحالة الصلبة،" يشرح البروفيسور جاسيك شتشيتكو من جامعة وارسو، قائد مجموعة البحث. "جاء الإلهام من أنظمة معروفة في الفيزياء الذرية، حيث يمكن للإلكترونات أن تشغل حالات طاقة مختلفة. في الفوتونيات، تلعب المصائد البصرية دورًا مشابهًا، حيث تحبس الضوء بدلاً من الإلكترونات." يضيف الدكتور مارسين موشينسكي، المؤلف الأول للدراسة من جامعة وارسو وكلية مدينة نيويورك: "يمكنك التفكير في الأمر على أنه دوامة بصرية. تلتف موجة الضوء حول محورها، ويتغير طورها بشكل حلزوني. علاوة على ذلك، حتى الاستقطاب - اتجاه اهتزاز المجال الكهربائي - يبدأ في الدوران."

هذه الحالات الضوئية المهيكلة جذابة لتطبيقات مثل الاتصال الكمي والتحكم في الأجسام المجهرية، لكن إنتاجها تطلب عادة هياكل نانوية معقدة أو أنظمة تجريبية كبيرة. اختار الفريق استراتيجية مختلفة، باستخدام بلورة سائلة - مادة تتدفق مثل السائل ولكن جزيئاتها ترتب نفسها بطريقة منتظمة، مثل البلورة. داخل هذه المادة، يمكن أن تتشكل عيوب خاصة تُعرف باسم التورونات. "يمكن تخيلها على أنها لوالب ملتوية بإحكام، تشبه الحمض النووي،" تشرح جوانا ميندرزيكا، طالبة تكنولوجيا النانو في جامعة وارسو التي أعدت عينات البلورات السائلة مع الدكتورة إيفا أوتون من الجامعة العسكرية للتكنولوجيا. "إذا تم إغلاق هذا اللولب عن طريق ربط طرفيه في حلقة تشبه الدونات، نحصل على تورون."

لتقوية التأثير، تم وضع التورون داخل تجويف بصري دقيق - هيكل من المرايا يعكس الضوء مرارًا ويبقيه محصورًا. "هذا يجعل المجال أقوى بكثير،" يقول الدكتور موشينسكي. "بالإضافة إلى ذلك، يمكننا التحكم في حجم المصيدة، وبالتالي خصائص الضوء، باستخدام جهد كهربائي خارجي." حقق الفريق أيضًا شيئًا جديدًا: دوامات ضوئية مستقرة في الحالة الأرضية، أدنى حالة طاقة. "لأول مرة، تمكنا من الحصول على هذا التأثير في الحالة الأرضية،" يشرح البروفيسور غيوم مالبيتش من جامعة كليرمون أوفران وCNRS، الذي طور النموذج النظري مع البروفيسور دميتري سولنيشكوف وما بعد الدكتوراه دانييل بوبيليف. "هذا مهم لأن الحالة الأرضية هي الأكثر استقرارًا والأسهل لتراكم الطاقة فيها." لتأكيد الليزر، أدخل الباحثون صبغة ليزر، وحصلوا على ضوء يدور، متماسك، وله طاقة محددة جيدًا واتجاه انبعاث.

يلاحظ البروفيسور دميتري سولنيشكوف: "من المثير للاهتمام أن نهجنا يستلهم من نظريات متقدمة جدًا تتضمن ما يسمى بالشحنة المتجهة. لذا، بطريقة ما، تمكنا من جعل الفوتونات تتصرف ليس حتى مثل الإلكترونات، بل مثل الكواركات." يختتم البروفيسور فيكتور بيتشيك من الجامعة العسكرية للتكنولوجيا: "يفتح هذا الاكتشاف مسارًا جديدًا لإنشاء مصادر ضوء مصغرة بهياكل معقدة. بدلاً من الاعتماد على تكنولوجيا النانو المعقدة، يمكننا استخدام مواد ذاتية التنظيم. في المستقبل، قد يتيح ذلك أجهزة فوتونية أبسط وأكثر قابلية للتوسع، على سبيل المثال للاتصالات البصرية أو التقنيات الكمومية."