غير مرتبط بالضوء: قد تتلاشى حدود البيانات مع الهوائيات الضوئية الجديدة – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Light unbound: Data limits could vanish with new optical antennas
 (University of California “Berkeley”  – “بواسطة جامعة كاليفورنيا “بيركلي)

ملخص المقالة:

نشر باحثون في جامعة كاليفورنيا – بيركلي، نتائج بحثهم الذي سخروا فيه خصائص موجات الضوء لزيادة كمية البيانات التي تحملها، وأظهروا انبعاث أشعة الليزر الملتوية المنفصلة من الهوائيات المكونة من حلقات متحدة المركز، تساوي تقريبًا قطر شعرة الإنسان. ويفتح هذا العمل على نطاق واسع كمية المعلومات التي يمكن مضاعفة إرسالها، أو نقلها في وقت واحد، بواسطة مصدر ضوء متماسك. وهي المرة الاولى التي يتعدد فيها الارسال مباشرة بواسطة ضوء ليزر ملتو، وأحد الأمثلة الشائعة لهذا هو إرسال مكالمات هاتفية متعددة عبر سلك واحد. وبنتائج هذا البحث، ستضاعف التكنولوجيا حدود سعة نقل البيانات الحالية من خلال الزخم الزاوي المداري (خاصية للضوء)، مع تطبيقات في التصوير البيولوجي، والتفسير الكمومي، والاتصالات عالية السعة، وأجهزة الاستشعار.

المقالة

اكتشف باحثون في جامعة كاليفورنيا – بيركلي، طريقة جديدة لتسخير خصائص موجات الضوء بحيث يمكن أن تزيد بشكل جذري من كمية البيانات التي تحملها. وقد أظهروا انبعاث أشعة الليزر الملتوية المنفصلة من الهوائيات المكونة من حلقات متحدة المركز، تساوي تقريبًا قطر شعرة الإنسان، وهي صغيرة بما يكفي لتوضع على رقائق الكمبيوتر.

إن العمل الجديد، الذي نُشر في ورقة بحثية يوم الخميس 25 فبراير، في مجلة نيتشر فيزيكس (Nature Physics)، يفتح على نطاق واسع كمية المعلومات التي يمكن مضاعفة إرسالها، أو نقلها في وقت واحد، بواسطة مصدر ضوء متماسك. وأحد الأمثلة الشائعة لتعدد الإرسال هو إرسال مكالمات هاتفية متعددة عبر سلك واحد، ولكن كانت هناك حدود أساسية لعدد الموجات الضوئية الملتوية المتماسكة التي يمكن مضاعفة إرسالها مباشرة.

“انها المرة الاولى التي يتعدد فيها الارسال مباشرة بواسطة ضوء ليزر ملتو”، كما قال الباحث في هذه الدراسة الرئيسي باوباكر كانتي [1] ، الأستاذ المشارك في كلية “شينمينغ هو” للهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر بجامعة كاليفورنيا – بيركلي. وأضاف: “نحن نشهد انفجارًا في البيانات في عالمنا، وقنوات  الاتصال التي لدينا الآن ستكون قريبًا غير كافية لما نحتاجه. وتتغلب التكنولوجيا التي نبلغ عنها على حدود سعة البيانات الحالية من خلال خاصية الضوء التي تسمى الزخم الزاوي المداري. إنه مغير لقواعد اللعبة، مع تطبيقات في التصوير البيولوجي، والتفسير الكمومي،  والاتصالات عالية السعة، وأجهزة الاستشعار”.

وواصل البروفيسور كانتي، وهو أيضًا عالم في هيئة علماء قسم علوم المواد في مختبر لورنس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي)، هذا العمل في جامعة كاليفورنيا – بيركلي، بعد أن بدأ البحث في جامعة كاليفورنيا – سان دييغو. والمؤلف الأول للدراسة هو بابك بهاري، طالب دكتوراه سابق في مختبر كانتي. 

وقال كانتي إن الطرق الحالية لنقل الإشارات عبر الموجات الكهرومغناطيسية وصلت إلى حدودها القصوى. فعلى سبيل المثال، أصبح التردد مشبعًا، ولهذا السبب لا يوجد سوى العديد من المحطات التي يمكن للفرد ضبطها على الراديو. ويمكن أن يضاعف الاستقطاب كمية المعلومات المنقولة، حيث يتم فصل الموجات الضوئية إلى قيمتين أفقية أو رأسية. ويستفيد صانعو الأفلام من هذا عند إنشاء أفلام ثلاثية الأبعاد، مما يسمح للمشاهدين الذين يرتدون نظارات متخصصة باستقبال مجموعتين من الإشارات – واحدة لكل عين – لإنشاء تأثير مجسم ووهم العمق.

تسخير الإمكانات في دوامة

ما وراء التردد والاستقطاب هو الزخم الزاوي المداري  (Orbital Angular Momentum (OAM))، وهو خاصية للضوء حظيت باهتمام العلماء لأنها توفر قدرة أكبر بشكل كبير على نقل البيانات. وتتمثل إحدى طرق التفكير في الزخم الزاوي المداري في مقارنتها بدوامة الإعصار.

وقال كانتي: “يمكن للدوامة في الضوء، بدرجاتها اللانهائية من الحرية، أن تدعم – من حيث المبدأ – كمية غير محدودة من البيانات، وكان التحدي يتمثل في إيجاد طريقة لإنتاج عدد لا حصر له من حزم الزخم الزاوي المداري بشكل موثوق. لم يقم أحد من قبل بإنتاج حزم الزخم الزاوي المداري بمثل هذه الشحنات العالية في مثل هذا الجهاز المضغوط”.

وبدأ الباحثون بهوائي، وهو أحد أهم المكونات في الكهرومغناطيسية، ولاحظوا أنه أساسي لتقنيات الجيل الخامس (5G) الحالية وتقنيات الجيل السادس (6G) القادمة. إن الهوائيات في هذه الدراسة طوبولوجية، مما يعني أنه يتم الاحتفاظ بخصائصها الأساسية حتى عندما يكون الجهاز ملتويًا أو مثنيًا.

خلق حلقات من نور

لصنع الهوائي الطوبولوجي، استخدم الباحثون الطباعة الحجرية ذات الحزمة الإلكترونية لحفر نمط شبكي على فوسفيد ارسينايد غاليوم الانديوم [٢] (indium gallium arsenide phosphide) ، وهو مادة شبه موصلة، ثم ربطوا الهيكل على سطح مصنوع من عقيق الإيتريوم الحديدي. وصمموا الشبكة لتشكيل آبار كمومية في نمط من ثلاث دوائر متحدة المركز – أكبر قطر يبلغ حوالي 50 ميكرون – لحبس الفوتونات. وخلق التصميم ظروفًا لدعم ظاهرة تُعرف باسم تأثير هول الكمي الضوئي، والتي تصف حركة الفوتونات تحت تأثير مجال مغناطيسي، مما يجبر الضوء على الانتقال في اتجاه واحد فقط في الحلقات.

وقال الدكتور كانتي: “اعتقد الناس أن تأثير هول الكمي مع مجال مغناطيسي يمكن استخدامه في الإلكترونيات ولكن ليس في البصريات بسبب المغناطيسية الضعيفة للمواد الموجودة عند الترددات الضوئية”. وتابع: “نحن أول من أظهر أن تأثير هول الكمومي يعمل في الضوء”.

ومن خلال تطبيق مجال مغناطيسي عمودي على بنيتها المجهرية ثنائية الأبعاد، نجح الباحثون في توليد ثلاثة أشعة ليزر زخم زاوي مداري تتحرك في مدارات دائرية فوق السطح. وأظهرت الدراسة أيضًا أن لأشعة الليزر عددًا كميًا يصل إلى 276 ، في إشارة إلى عدد المرات التي يلتف فيها الضوء حول محوره بطول موجي واحد.

وقال البروفيسور كانتي: “إن امتلاك عدد كمي أكبر يشبه وجود المزيد من الأحرف لاستخدامها في الأبجدية؛ ونحن نسمح للضوء بتوسيع مفرداته. فقد أظهرنا في دراستنا هذه القدرة في الأطوال الموجية للاتصالات، ولكن من حيث المبدأ، يمكن تكييفها مع نطاقات تردد أخرى. وعلى الرغم من أننا أنشأنا ثلاثة أشعة ليزر، وضربنا معدل البيانات في ثلاثة، فإنه لا يوجد حد للعدد المحتمل للحزم وقدرة البيانات”.   وذكر أن الخطوة التالية في مختبره هي صنع حلقات هول الكمومية التي تستخدم الكهرباء كمصادر للطاقة.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:
https://engineering.berkeley.edu/news/2021/02/light-unbound-optical-topological-antennas/

لمزيد من المعلومات: ب. باها ري، ل. سو، واس اتش بان وآخرون؛  Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta. Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01165-8

الهوامش:
[١]  باوبكار كانتي عالم فيزياء يعمل في مجال تفاعل المادة الموجية في جامعة كاليفورنيا – بيركلي، حيث يشغل منصب أستاذ مشارك في كلية “شينمينغ هو” للهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر. ويكيبيديا.
[٢] فوسفيد ارسينايد غاليوم الإنديوم (Indium gallium arsenide phosphide (Ga_xIn_1−xAs_yP_1−y)) عبارة عن مادة شبه موصلة رباعية المركب، وهي سبيكة من ارسينايد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم. وهذا المركب له تطبيقات في الأجهزة الضوئية، بسبب القدرة على تكييف فجوة النطاق الخاصة به من خلال التغييرات في نسب الخلد السبيكي، x  و y.  والغاليوم عنصر كيميائي برمز Ga والرقم الذري 31. وهو معدن ناعم فضي عند درجة حرارة وضغط معياريين؛ لكنه في حالته السائلة يصبح أبيضًا فضيًا. وإذا تم استخدام الكثير من القوة على الغاليوم، فقد ينكسر بشكل محاري. أما الإنديوم فهو عنصر كيميائي بالرمز In والرقم الذري 49. وهو أنعم معدن غير قلوي، أبيض فضي يشبه القصدير في المظهر، وهو معدن ما بعد الانتقال ويشكل 0.21 جزء في المليون من قشرة الأرض. ويكيبيديا.