سرانجام نور برنده شد

 سهمی از آن را به چارلز کائو، پیشگام فناوری الیاف نوری و نیم دیگر جایزه را نیز به بویل و اسمیت، 2 نفر از محققانی که با نبوغ خود قلب تصویربرداری الکترونیک را به تپش انداخته و چشم بشر را به مرزهای ناپیدای دور و نزدیک گشوده‌اند، اهدا کردند.

به این ترتیب نوبل 2009 در رشته فیزیک به محققانی رسید که تلاش‌هایشان در قلمرو نور منجر به پایه‌گذاری شالوده‌های عصر نوین دیجیتال شده است. با اعلام رسمی بنیاد جوایز نوبل، نیمی از این جایزه به چارلز کائو، رئیس اسبق دانشگاه چینی هنگ‌کنگ تعلق گرفت که در دهه 1960 صحبت کردن از طریق نور و از درون فیبرهای نوری را برای جهانیان امکان‌پذیر کرد. نیم دیگر این جایزه نیز به ویلارد بویل و جورج اسمیت از آزمایشگاه‌های بل در نیوجرسی به خاطر اختراع تراشه حسگر تصویر دستگاه تزویج علامت حافظه موسوم به (CCD) اهدا شد که مولفه‌ای تعیین‌کننده در دوربین‌های دیجیتال امروزی محسوب می‌شود.

کار برجسته کائو، ارتباطات از طریق الیاف نوری را در فواصل بعید امکان‌پذیر کرده است. شیشه از ضریب انعکاسی بیشتری نسبت به هوا برخوردار است و از همین رو بخش اعظم نور گسیل‌شونده در امتداد میله‌ای شیشه‌ای درون آن باقی می‌ماند و این همان پدیده‌ای است که به بازتاب داخلی کل معروف است؛ اما اوایل قرن بیستم، هدایت کردن نور از راه بازتاب آن به این شیوه، تنها در فواصل کوتاه امکان‌پذیر بود که نمونه بارز آن نقشی بود که نور در برخی ابزارآلات پزشکی برای مشاهده دقیق درون معده و روده بیمار پیدا کرد.

در آن زمان بیشتر علاقه‌مندان تصور می‌کردند ارسال نور از طریق الیاف نوری امکان دارد موجب تضعیف آن و به عبارتی اتلاف بخشی از نور گسیل‌شونده در مسیر این رشته‌ها شود. الیاف نوری بسیار پیشرفته‌ای که اوایل دهه 1960 در دسترس بود، نرخ اتلافی معادل 1000 دسی بل در کیلومتر داشتند و از این رو شبکه‌های ارتباطات و مخابراتی با محوریت الیاف نوری، امکانی بعید به نظر می‌آمد؛ اما سال 1965 کائو که در آزمایشگاه‌های مخابراتی هارلو در انگلستان مشغول تحقیق بود، پیشنهاد کرد تضعیف یا همان افت قدرت انرژی بیشتر به واسطه ناخالصی‌های شیشه به کار رفته در الیاف نوری است تا این که ناشی از خواص فیزیکی ذاتی سیلیسی باشد که شیشه مصرفی در تهیه رشته‌ها از آن ساخته می‌شود.

کائو مدعی شد با استفاده از شیشه خالص در ساخت الیاف نوری، دستیابی به نرخ‌های تضعیف نور پایین‌تر از 20 دسی‌بل در کیلومتر امکان‌پذیر خواهد شد. در ادامه همین تحقیقات وی با صرف 5 سال زمان تلاش کرد روِیای ارتباطات فیبر نوری خود را به دیگر آزمایشگاه‌های تحقیقاتی عرضه کند. در این میان ایستگاه تحقیقاتی پستخانه انگلستان و همکار آزمایشگاه‌های بل عجله داشت مزایای این فناوری و صدالبته نصب تاسیسات پایه فیبر نوری بین دفاتر مخابراتی را در شهرستان‌های مجاور مشاهده کند.

پیش‌بینی‌های این محقق سرانجام در سال 1970 و زمانی که شرکتی فعال در زمینه محصولات شیشه‌ای در نیویورک به تولید رشته‌هایی با نرخ افت بسیار کمتر نائل شد، جامه عمل به خود گرفت و مورد حمایت صنایع مرتبط واقع شد. وقتی آزمایشگاه‌های دیگر سعی می‌کردند شیشه معمولی را خالص‌سازی کنند، محققان شرکت مزبور، مسیر دیگری را انتخاب کردند و کار را با شکل بسیار خالص‌شده‌ای از دی‌اکسید سیلیس موسوم به سیلیس گداخته کلید زدند که پیشتر آن را توسعه داده بودند.

محققان با تغلیظ و ناخالص‌سازی هسته حامل نور یک رشته سیلیس گداخته توسط تیتانیوم موفق به کاهش نرخ تضعیف نور تا 17 دسی‌بل در کیلومتر شدند و این روند را تا دستیابی به نرخ‌های تضعیفی معادل تنها 4 دسی‌بل در کیلومتر و با استفاده از دی‌اکسید ژرمانیوم به عنوان جزو افزودنی فرآیند تغلیظ ادامه دادند.

این در حالی است که بهترین الیاف نوری امروزی از نرخ افت نوری زیر 2/0 دسی‌بل در کیلومتر برخوردارند. اکنون و پس از گذشت 40 سال از کار کائو، فناوری الیاف نوری در قلب ارتباطات و مخابرات مدرن و از جمله اینترنت جای گرفته است.

اما همان طور که اشاره شد، نیمی از پاداش نوبل فیزیک امسال به ابداع‌کنندگان تراشه حسگر تصویر CCD تعلق گرفت. همانند ترانزیستور که تیم آزمایشگاه‌های بل برای آن برنده جایزه نوبل فیزیک سال 1965 شدند و اختراع آن موجب از دور خارجشدن بخش اعظم شالوده تجهیزات الکترونیکی شد. دستگاه تزویج علامت حافظه نیز به خروج فناوری موجود به کار رفته در لامپ‌های خلا انجامیده است. در حالی که ترانزیستور موجب از رده خارج شدن لامپ‌های خلا شکننده آمپلی‌فایرها و سوئیچ‌های ادوات الکترونیکی شد، دستگاه CCD به عنوان حسگر گزینش در دوربین‌های تلویریونی جایگاه بلامنازع ادوات شکننده خلا محور و مستعد لکه‌دار کردن تصویر که از قضا حاوی رساناهای حساس به نور است را درهم شکست. این اسباب بعدا به قلب مصرف‌کننده دوربین‌های فیلمبرداری ویدئویی و دوربین‌های دیجیتالی بدل می‌شود و در ادامه حتی فناوری‌هایی که جایگزین آن شده‌اند نیز وامدار اصول آن به شمار می‌روند؛ اما این جزء بدیع در حالی به یکه‌تازی در مرزهای الکترونیک تصویری پرداخته که بویل و اسمیت در شروع کارشان، آن را به عنوان یک تراشه حافظه نوین برای تلفن‌های تصویری و رایانه‌ها تصور می‌کردند.

ساخت این تراشه از مفهوم فناوری حافظه حبابی الهام گرفته که در دهه 1960 و از دل آزمایشگاه‌های بل بیرون آمد و براساس آن داده‌ها به صورت نواحی مغناطیسی و تحت عنوان حباب‌ها در غشاهای نیمهرسانای نازک ضبط می‌شدند. البته فناوری حافظه حبابی سرانجام با پیشرفت‌های صورت گرفته در ضبط دیسک سخت از میان رفت؛ اما این دو محقق را به فکر بکری انداخت که کار مشابهی را با بار الکتریکی صورت دهند و پرسش مطرح این بود که آیا می‌توان سبدهای کوچکی از الکترون را برای نمایش دادن داده‌های سیستم دودویی در یک ریزتراشه استفاده نمود و در صورت امکان چگونه می‌توان این داده‌ها را ذخیره‌سازی و سپس خوانده شده جابه‌جا کرد. پاسخ این سوالات، گام بزرگی در دانش نور و الکترونیک محسوب می‌شد و خلاقیت و نبوغ این دو محقق را برای انجام آن به چالش کشید.

محققان پی بردند با رسوب‌گذاری ستون‌هایی از خازن‌های تنگاتنگ روی یک تراشه که هریک می‌تواند در زمان ذخیره شدن یک بیت داده در آن به وسیله الکترون‌ها پر شود، به جواب برسند. به این ترتیب هر خازن از یک سیم همزمان‌کننده متصل به خود بهره می‌برد و پالسی که از مسیر این اتصال برقرار می‌شود، می‌تواند محتویات هر سبد الکترونی را از یکی به دیگری خالی نماید. در این شیوه، مجموعه‌ای از پالس‌های زمان‌سنجی باعث می‌شود تا ردیف کاملی از بیت‌ها به لبه تراشه سرازیر شوند و در نتیجه به صورت زنجیره‌ای از صفر و یک‌ها توسط ترانزیستور خوانده می‌شوند. روش حاضر مشابه کارگروه‌های اطفای حریق در سابق است که با تشکیل ستونی از افراد و دست به دست کردن سطل‌های آب، آتش را خاموش می‌کردند و از این رو دستگاه تزویج علامت حافظه با داده‌های چرخان یا همان CCD به عنوان دستگاه بارگیری با سطل نیز خوانده می‌شود.

با این اوصاف محققان معتقدند حساسیت نوری این تراشه به معنای آن نیست که حافظه‌هایی طولانی باقی می‌مانند. نور متمرکز شده روی یک CCD می‌تواند با ایجاد یک بار الکتریکی در سلول متناسب با شدت نور در آن نقطه باعث خروج الکترون‌ها از محیط‌شان شود. از این رو منتخبان نوبل فیزیک، حسگر تصویری آنالوگی با وضوح بالا را توسعه بخشیده‌اند که می‌تواند موجب تغییر جهت و موازی‌سازی بارهای ایجاد شده توسط هر ردیف از سلول‌ها یا پیکسل‌ها شود تا به صورت داده‌های دیجیتال خوانده شوند و این مهم بدون مشکلاتی از قبیل حساسیت پایین، شکنندگی و لکه‌دار شدن تصویر صورت گرفته است که لامپ‌های خلا‡ از اساس با آن مواجه بوده‌اند.

به باور محققان، تلاش‌هایی از این دست توانسته مرزهای نوینی برای قلمرو ارتباطات و همچنین تصویربرداری در عرصه‌های دانش نجوم و پزشکی ترسیم نموده و دانش اپتیک را دستخوش تحولی اساسی نماید و پر بیراه نیست که یک عمر پژوهش نوری متولیان جایزه نوبل را به تجلیل از پیشگامان پایه‌گذاری عصر نوین دیجیتال ترغیب نماید.

مهریار میرنیا