اشتراک
خواص نوری ذاتی تیتانات باریم آشکار شده توسط اللیپسومتری ماتریس مولر. منبع تصویر: KAIST
خواص نوری ذاتی تیتانات باریم آشکار شده توسط اللیپسومتری ماتریس مولر. منبع تصویر: KAIST
فیزیک علوم مواد فناوری

رمزگشایی دانشمندان از معمای دهه‌ها پیش؛ کلید اینترنت سریع‌تر

در یک نگاه چکیدهٔ خودکار موتور هوش مصنوعی افق آبی

پژوهشگران کره‌ای با رمزگشایی نحوه تعامل بلور تیتانات باریم (BTO) با نور، معمای دهه‌ها اختلاف در اندازه‌گیری‌های نوری این ماده را حل کردند. BTO به دلیل اثر پوکلز که با اعمال میدان الکتریکی ضریب شکست را تغییر می‌دهد، برای ساخت مدولاتورهای نوری امیدوارکننده است، اما وجود دامنه‌های کوچک با جهت‌گیری‌های بلوری متفاوت باعث می‌شد اندازه‌گیری همزمان، پاسخ‌های نوری را با هم مخلوط کند و پیش‌بینی رفتار ماده را دشوار سازد. تیم تحت رهبری پروفسور مین سئوک جانگ از KAIST با بررسی دو نمونه تک‌بلور BTO با جهت‌گیری نسبتاً یکنواخت دامنه‌ها و استفاده از اللیپسومتری طیفی ماتریس مولر، طول موج‌های ۱۹۰ نانومتر تا ۴۰ میکرومتر را در سه ناحیه طیفی تحلیل کرد. آن‌ها روشی برای محاسبه پاسخ نوری کلی بلورهای حاوی دامنه‌های متفاوت نیز توسعه دادند و توانستند جذب بسیار ضعیف را حتی در بازه تقریباً شفاف BTO، با تعیین ضرایب خاموشی تا حدود ۱۰⁻⁵ در بازه ۲ تا ۱۰ میکرومتر کمّی‌سازی کنند. این داده‌ها به مهندسان امکان می‌دهد پیش از ساخت، حرکت نور و میزان افت آن را در دستگاه‌های ارتباط نوری پیش‌بینی کنند و دورهای پرهزینه ساخت و بازطراحی را کاهش دهند. کاربردهای بالقوه شامل مدولاتورهای ارتباطی، تولیدکننده‌های نور در طول موج‌های جدید و مدارهای پردازش اطلاعات کوانتومی است. این مطالعه با همکاری Caltech، KRISS و شرکت J.A. Woollam انجام و در ACS Photonics منتشر شد.

با رمزگشایی نحوه تعامل بلور تیتانات باریم با نور، پژوهشگران داده‌هایی ارائه کرده‌اند که می‌تواند خطا و آزمون پرهزینه در طراحی دستگاه‌های ارتباط نوری سریع‌تر را کاهش دهد.

وقتی نور داده‌ها را از طریق یک دستگاه ارتباطی منتقل می‌کند، جذب توسط مواد داخلی می‌تواند سیگنال را تضعیف کند. مهندسانی که تلاش می‌کنند دستگاه‌های سریع‌تر و کارآمدتر بسازند، باید پیش‌بینی کنند که نور چگونه از میان آن مواد عبور خواهد کرد و چه مقدار از آن از دست می‌رود، پیش از آنکه به یک طراحی متعهد شوند.

برای ماده‌ای امیدوارکننده به نام تیتانات باریم یا BTO، این اندازه‌گیری‌ها برای دهه‌ها به شدت متفاوت بوده‌اند. اکنون تیم پژوهشی تحت رهبری KAIST نحوه تعامل آن با نور را روشن کرده و داده‌هایی ارائه داده است که می‌تواند به مهندسان کمک کند تا دستگاه‌ها را با قابلیت اطمینان بیشتری طراحی کنند و دورهای پرهزینه ساخت و بازطراحی را کاهش دهند.

یک بلور، پاسخ‌های متفاوت به نور

BTO راه مفیدی برای کنترل نور ارائه می‌دهد زیرا اعمال یک میدان الکتریکی ضریب شکست آن را تغییر می‌دهد؛ ضریب شکست معیاری است که نشان می‌دهد نور هنگام عبور از یک ماده چقدر کند می‌شود. پاسخ قوی آن به میدان الکتریکی، که به عنوان اثر پوکلز شناخته می‌شود، آن را برای مدولاتورهای نوری امیدوارکننده می‌سازد. این دستگاه‌ها از سیگنال‌های الکتریکی برای کنترل نور و کدگذاری اطلاعات بر روی آن استفاده می‌کنند.

نمودار ساختار بلوری تیتانات باریم و اندازه‌گیری‌های نوری
ویژگی‌های ساختاری تیتانات باریم تک‌بلور و طرح شماتیک اندازه‌گیری ثابت‌های نوری. (بالا) تغییرات وابسته به دما در ساختار بلوری BTO (چپ)، هم‌راستایی دامنه‌ها بر اساس جهت قطبش (وسط)، و نتایج پراش اشعه ایکس (XRD) برای تک‌بلورهای باکیفیت برش a و برش c مورد استفاده در آزمایش‌ها (راست). (پایین) چارچوب تحلیلی برای استخراج دقیق خواص نوری ذاتی BTO در طیف بسیار گسترده از فرابنفش تا فروسرخ دور، با ترکیب اللیپسومتری طیفی ماتریس مولر در حالت بازتاب و عبور با طیف‌های عبور. منبع تصویر: KAIST

مشکل اینجاست که یک بلور BTO می‌تواند شامل مناطق کوچکی باشد که دامنه‌ها نامیده می‌شوند و جهت‌گیری‌های بلوری متفاوتی دارند. آن مناطق می‌توانند به طور متفاوتی با نور تعامل داشته باشند، بنابراین اندازه‌گیری همزمان آنها پاسخ‌هایشان را ترکیب می‌کند. این امر تعیین خواص نوری زیربنایی ماده و پیش‌بینی رفتار آن در یک دستگاه را دشوارتر می‌سازد.

برای کاهش این اختلاط، تیمی به سرپرستی پروفسور مین سئوک جانگ از دانشکده مهندسی برق KAIST دو نوع نمونه تک‌بلور BTO با جهت‌گیری نسبتاً یکنواخت دامنه‌ها را بررسی کرد. پژوهشگران از اللیپسومتری طیفی ماتریس مولر استفاده کردند، تکنیکی که تغییرات در قطبش نور، یا جهت‌گیری نوسانات میدان الکتریکی آن را هنگام بازتاب از یا عبور از یک ماده اندازه‌گیری می‌کند. این تغییرات اطلاعاتی درباره نحوه تأثیر ماده بر نور فراهم می‌کنند.

نمودارهای خواص نوری تیتانات باریم در سراسر طول موج‌ها
ضریب شکست مختلط ذاتی BTO چهاروجهی تعیین شده در طیف گسترده. (بالا) ضریب شکست و ضریب خاموشی تک‌بلور BTO برای پرتوهای معمولی و غیرمعمول، مشتق شده از فرابنفش تا فروسرخ دور. (وسط و پایین چپ) جذب نوری در ناحیه فرابنفش، جایی که گذارهای الکترونیکی رخ می‌دهند (نمودار تاک)، و ضریب شکست و دوشکستی از مرئی تا نزدیک فروسرخ، شامل طول موج‌های مخابراتی. (وسط و پایین راست) طیف‌های عبور تفکیک شده قطبش یک نمونه تک‌بلور اندازه‌گیری شده در پنجره شفافیت فروسرخ، و ضرایب جذب ضعیف مشتق شده از آنها. منبع تصویر: KAIST

تحلیل آنها طول موج‌هایی از ۱۹۰ نانومتر (nm) تا ۴۰ میکرومتر (μm) را پوشش داد و از فرابنفش تا فروسرخ دور را شامل شد. چون BTO در سراسر آن بازه به طور متفاوتی با نور تعامل دارد، پژوهشگران آن را به سه ناحیه طیفی تقسیم کردند و از رویکرد تحلیلی مناسب برای هر کدام استفاده نمودند. آنها تعیین کردند که ضریب شکست و خواص جذب چگونه با هر دو طول موج و جهت‌گیری بلور تغییر می‌کنند.

جی‌وون کانگ، نینا هونگ، هری ای. اتواتر و مین سئوک جانگ
(از چپ) دانشجوی دکتری جی‌وون کانگ از KAIST، دکتر نینا هونگ از شرکت J.A. Woollam Co.، پروفسور هری ای. اتواتر از Caltech، و پروفسور مین سئوک جانگ از KAIST. منبع تصویر: KAIST

تیم همچنین روشی برای محاسبه پاسخ نوری کلی یک بلور حاوی دامنه‌های با جهت‌گیری متفاوت توسعه داد. با استفاده از جهت‌گیری‌ها و نسبت‌های نسبی آن دامنه‌ها، این روش ساختار داخلی مخلوطی را که تعیین خواص BTO را دشوار ساخته بود، در نظر می‌گیرد.

اندازه‌گیری افت نور در تیتانات باریم تقریباً شفاف

حتی در بازه طول موجی که BTO تقریباً شفاف است، پژوهشگران توانستند جذب بسیار ضعیف را کمّی‌سازی کنند. آنها اللیپسومتری را با اندازه‌گیری‌های جداگانه عبور ترکیب کردند، که ثبت می‌کنند چه مقدار نور از یک نمونه عبور می‌کند، تا ضرایب خاموشی را تا حدود ۱۰⁻⁵ در بازه ۲ تا ۱۰ میکرومتر تعیین نمایند. ضریب خاموشی توصیف می‌کند که یک ماده چقدر شدید نور را جذب می‌کند، با مقادیر کوچکتر نشان‌دهنده جذب ضعیف‌تر.

این اندازه‌گیری‌ها به طور مشترک به دو پرسش عملی درباره یک راهنمای موج، ساختاری که نور را از طریق یک دستگاه هدایت می‌کند، پاسخ می‌دهند. ضریب شکست به طراحان کمک می‌کند تا پیش‌بینی کنند نور چگونه حرکت خواهد کرد، در حالی که ضریب خاموشی به آنها کمک می‌کند تخمین بزنند چه مقدار از آن به دلیل جذب از بین می‌رود. مهندسان می‌توانند از داده‌ها برای ارزیابی دستگاه‌های با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف قبل از ساخت استفاده کنند. کاربردهای بالقوه شامل مدولاتورهای ارتباطی، دستگاه‌هایی که نور را در طول موج‌های جدید تولید می‌کنند، و مدارهایی که اطلاعات کوانتومی را با استفاده از نور پردازش می‌کنند، می‌باشند.

KAIST، به ریاست پرزیدنت چونگ‌سیک بی، این کار را در ۸ نوامبر اعلام کرد. مطالعه در همکاری با تیم پروفسور هری ای. اتواتر در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech)، موسسه ملی استانداردها و علوم کره (KRISS)، و شرکت آمریکایی J.A. Woollam Co. انجام شد.

«این مطالعه پاسخ نوری تیتانات باریم را که مدت‌ها مبهم باقی مانده بود آشکار می‌کند و مرجع قابل اعتمادی برای نحوه تعامل ماده با نور ارائه می‌دهد»، به گفته پروفسور مین سئوک جانگ. او افزود که انتظار می‌رود یافته‌ها به دستگاه‌های ارتباط نوری که افت نور را کاهش می‌دهند و انتقال داده سریع‌تر را ممکن می‌سازند، و همچنین به دستگاه‌های فوتونیک کوانتومی که نیازمند کنترل دقیق نور هستند، کمک کند.

مرجع: «مشخصه‌یابی نوری پهنای باند تیتانات باریم چهاروجهی توسط اللیپسومتری طیفی ماتریس مولر» توسط جی‌وون کانگ، نینا هونگ، کریستوفر ام. یی، یون سو گو، مارتین توماشفسکی، هوی جی وو، پراچی تورجا، جونگهون جانگ، هری ای. اتواتر و مین سئوک جانگ، ۲۰ اکتبر ۲۰۲۶، ACS Photonics.
DOI: 10.1021/acsphotonics.6c01514

این پژوهش توسط برنامه تحقیقات و توسعه فرهنگ، ورزش و گردشگری از طریق آژانس محتوای خلاق کره (KOCCA)، با تأمین مالی از وزارت فرهنگ، ورزش و گردشگری؛ برنامه تحقیقات علوم پایه از طریق بنیاد ملی تحقیقات کره (NRF)، با تأمین مالی از وزارت آموزش؛ وزارت علوم و فناوری اطلاعات و ارتباطات؛ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده (AFOSR) حمایت شد.

اشتراک:
این گزارش ترجمه و بازنویسی خبری با موتور هوش مصنوعی افق آبی است و برای خوانندهٔ فارسی‌زبان بازتنظیم شده. منبع اصلی: scitechdaily.com