فرامواد، ابزار بازی دانشمندان با نور

مهندسان فراماده جدیدی ساخته‌اند که قادر به ارائه ضریب شکست منحصربه‌فردی است. میزان انحراف نور از مسیر خود هنگام عبور از این ماده کمتر از تمام ضریب شکست‌های یافت شده در طبیعت است.

کد خبر: ۵۹۸۵۰۳

یکی از امکانات مهیج فرامواد (مواد مهندسی شده که دارای خواصی هستند که در مواد طبیعی یافت نمی‌شود) امکان بالقوه کنترل نور توسط آنها به روش‌هایی است که تا پیش از این هرگز امکان‌پذیر نبوده است. خواص اپتیکی جدید چنین موادی می‌تواند به تولید لنزهای کاملی منجر شود که امکان مشاهده مستقیم پروتئین‌های منحصربه‌فرد به وسیله میکروسکوپ نوری را فراهم کرده یا برعکس اشیا را به طور کامل از معرض دید پنهان کند. اگرچه فرامواد در دهه گذشته انقلابی در مبحث اپتیک ایجاد کرد، اما تاکنون قدرت آنها به دلیل ناتوانی در عملکردشان روی پهنای باند گسترده نور از نظر پنهان مانده بود.

در طول دهه گذشته طراحی موادی که قابلیت عملکرد در سراسر طیف مرئی را داشته باشد به صورت یک چالش قابل توجه باقی‌مانده بود. اتم‌های مصنوعی مواد جدید به گونه‌ای طراحی شده تا با طیف گسترده‌ای از فرکانس‌های نور کار کند. محققان معتقدند با انجام تنظیماتی می‌توان از این مواد لنزهای میکروسکوپی کامل یا نهان‌سازهای نامرئی ساخت.

جنیفر دیون، استاد علوم مواد مهندسی و عضو وابسته به دانشگاه استنفورد در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC می‌گوید: مجموعه ضریب شکست‌هایی که طبیعت در اختیار ما قرار داده، محدود است. تمام مواد موجود در طبیعت دارای ضریب شکست مثبت هستند.

به عنوان مثال هوا در شرایط استاندارد دارای کمترین ضریب شکست در طبیعت است. ضریب شکست هوا اندکی بیش از یک اندازه‌گیری شده است. ضریب شکست آب 1.33 و ضریب شکست الماس حدود 2.4 است. هر چه ضریب شکست ماده‌ای بیشتر باشد به این معناست که میزان انحراف نور از مسیر اصلیش هنگام عبور از آن ماده بیشتر می‌شود. با این تفسیر می‌توان گفت که اگر ضریب شکست ماده‌ای نزدیک به صفر یا منفی باشد پدیده فیزیکی جالبی رخ داده است. تصور کنید که یک نی را به لبه لیوان آبی تکیه داده‌اید. اگر ضریب شکست آب منفی بود نی معکوس دیده می‌شد. استفاده از تکنیک محوسازی برای پنهان کردن یک شیء یا داشتن لنز کامل و جلوگیری از انکسار مستلزم استفاده از موادی است که قادر به کنترل دقیق مسیر نور به شیوه‌ای مشابه باشند. فرامواد قادر به ارائه چنین پتانسیلی هستند.

اتم‌های مصنوعی

برخلاف مواد طبیعی که خواص اپتیکی آن به شیمی اتم‌های تشکیل‌دهنده بستگی دارد، خواص اپتیکی یک فراماده از هندسه نانو سلول‌های خود یا همان اتم‌های مصنوعی مشتق می‌شود. با دستکاری هندسه این سلول‌ها می‌توان ضریب شکست را تنظیم کرده و ضریب شکست مثبت، منفی یا صفر به فراماده بخشید.

یکی از دردسرهایی که هر ماده اینچنینی نیاز به تعامل با آن دارد میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نور است. بسیاری از فرامواد طبیعی در برابر میدان مغناطیسی نوری با طول موج مرئی و مادون قرمز کدر هستند. (اجازه عبور به آنها نمی‌دهند)

در تلاش‌های قبلی برای تولید فرامواد، اتم‌های مصنوعی مرکب از دو جزء تولید شد؛ یک جز در تعامل با میدان الکتریکی و جزء دیگر برای تعامل با میدان مغناطیسی بود. اشکال چنین رویکردی این است که هر جزء با رنگ‌های متفاوتی از نور در تعامل است و به طور معمول دشوار است این دو جزء در طیف گسترده‌ای از طول موج همپوشانی داشته باشند.

برای رفع این مشکل گروه محققان به سرپرستی دیون یک اتم تک‌جزیی با خصوصیاتی طراحی کردند تا به ماده اجازه دهد به بهترین شکل با هر میدان الکتریکی و مغناطیسی نور تعامل داشته باشد.

گروه با استفاده از ریاضیات پیچیده به شکل جدیدی از ماده رسیدند که دگرگونی اپتیکی نامیده می‌شود. آنها با یک ساختار مسطح دووجهی که دارای خواص اپتیکی مطلوب بود کارشان را اغاز کردند که البته نمی‌توانست اتم مناسبی برای فرامواد محسوب شود. سپس هنگام تهیه نقشه اتم درست شبیه یک طراح، شکل کروی را تبدیل به یک صفحه صاف کردند. سپس این ساختار نامتناهی را تا زده و ضمن حفظ خواص اپتیکی، آن را به یک شیء سه‌بعدی در مقیاس نانو تبدیل کردند.

جسم تبدیل شده شبیه هلال ماه بوده و نوک آن باریک و در وسط پهن‌تر بود. فراماده جدید شامل اتم‌های هلالی شکل در مقیاس نانو بودند که در یک آرایه تناوبی مرتب شده بود.

فراماده طراحی شده در طول موج حدود 250 نانومتر و در نواحی چندگانه طیف مرئی و طیف نزدیک مادون قرمز دارای ضریب شکست منفی بود. محققان معتقدند با چند ترفند دیگر می‌توانند این فراماده را در سراسر طیف مرئی قابل استفاده سازند.

یکی از محققان تیم می‌گوید: ما می‌توانیم هندسه این اتم‌های هلالی شکل را تنظیم کرده یا اندازه آنها را کوچک‌تر کنیم تا فراماده قادر به پوشش تمام طیف نور مرئی از 400 تا 700 نانومتر شوند. احتمالا این فراماده نتواند مانند شنل نامرئی هری پاتر بزودی باعث مخفی شدن اشیا شود.

با این حال فرصت‌های پژوهشی به وجود آمده ناشی از تحقیق روی این ماده جدید محققان را شگفت‌زده خواهد کرد. فرامواد به طور بالقوه به ما اجازه می‌دهد که کارهای زیادی روی نور انجام دهیم. کارهایی که حتی تاکنون چیزی درباره آن نمی‌دانستیم. گارسیا می‌گوید: حتی من پس از این همه تحقیق نمی‌توانم تمام کاربردهای این مواد را تصور کنم. این پژوهش جعبه ابزار جدیدی برای انجام کارهایی است که قبلا هرگز انجام نشده است.