فناوری ساخته شده از فسفر سیاه چیست و چه کاربرد‌هایی دارد؟

دانشمندان با استفاده از یک ماده تخصصی تنها با ضخامت سه اتم، نور را دقیق‌تر از همیشه کنترل می‌ کنند.

کد خبر: ۵۷۸۳۹۴

تاریخ: ۱۷ آذر ۱۴۰۰ - ۰۹:۰۷

اکثر ما نور را همیشه و بدون اینکه به آن فکر کنیم و معمولاً به روش‌های پیش پا افتاده کنترل می‌کنیم مثل استفاده از یک جفت عینک آفتابی یا کرم ضد آفتاب، پنجره‌های خود را می‌بندیم یا باز می‌کنیم و سایر راهکار‌هایی که برای در امان ماندن از نور به کار می‌بریم.

به گزارش باشگاه خبرنگاران جوان، به نقل از caltech، اما می‌توان نور را با اشکال دارای فناوری بالا کنترل کرد. صفحات کامپیوتر و رایانه‌های لوحی یا تلفن همراه همگی مثالی از کابرد فناوری در این زمینه است. مخابرات نیز نور را کنترل می‌کند تا سیگنال‌های حامل داده‌ها در امتداد کابل‌های فیبر نوری را ایجاد کند.

قطبش  چیست؟

این کار در آزمایشگاه هری اتواتر، رئیس رهبری غرفه اوتیس در بخش مهندسی و علوم کاربردی هاوارد هیوز و استاد فیزیک کاربردی و علوم مواد و مدیر اتحاد نور مایع خورشیدی (LiSA) انجام شده است. برای درک اثر، ابتدا لازم است به خاطر داشته باشید که نور به عنوان موج وجود دارد و دارای خاصیتی به نام قطبش است که جهت ارتعاش امواج را توصیف می‌کند. تصور کنید در قایقی روی اقیانوس هستید، امواج اقیانوس دارای قطبش عمودی هستند به این معنی که با عبور امواج از زیر قایق، باعث بالا و پایین رفتن آن می‌شوند. امواج نور تقریباً یکسان رفتار می‌کنند، با این تفاوت که آنها را می‌توان در هر زاویه‌ای قطبی کرد. اگر یک قایق بتواند بر امواج نور سوار شود، ممکن است از یک طرف به طرف دیگر یا به صورت مورب و حتی به صورت مارپیچ حرکت کند.

کاربرد قطبش در کنترل نور

قطبش می‌تواند مفید باشد، زیرا اجازه می‌دهد نور به روش‌های خاصی کنترل شود. به عنوان مثال، لنز‌های عینک آفتابی جلوی تابش خیره کننده را می‌گیرند، چرا که نور اغلب هنگام بازتاب از سطح، مانند پنجره ماشین قطبی می‌شود. صفحه یک ماشین حساب رومیزی با قطبش نور و انسداد آن در مناطق مختلف سبب ایجاد اعداد خوانا می‌شود. مناطقی که نور قطبی متوقف شده، تاریک و مناطقی که نور مسدود نشده، روشن به نظر می‌رسد. اتواتر و همکارانش توضیح می‌دهند که چگونه از سه لایه اتم فسفر برای ایجاد ماده‌ای قابل تنظیم، دقیق و بسیار نازک جهت قطبش نور استفاده کرده اند. این ماده از فسفر سیاه ساخته شده که از بسیاری جهات شبیه به گرافیت یا گرافن کربن است و از لایه‌های ضخامت تک اتم تشکیل شده در حالی که لایه‌های گرافن کاملاً صاف هستند.

این ساختار کریستالی باعث می‌شود که فسفر سیاه دارای خواص نوری قابل توجه و ناهمسانگرد باشد. ناهمسانگردی یعنی به زاویه وابسته است. در ماده‌ای مانند گرافن، نور بدون توجه به زاویه‌ای که در آن قطبی شده جذب و به همان اندازه منعکس می‌شود. واکنش فسفر سیاه اگر قطبش نور در امتداد راه راه‌ها تراز شود، بسیار متفاوت نسبت به عمود بر راه راه است. هنگامی که نور قطبی روی خطوط فسفری سیاه قرار می‌گیرد، با ماده متفاوتی نسبت به جهت دیگری که در امتداد راه راه قرار دارد مواجه می‌شود.

بسیاری از مواد می‌توانند نور را قطبی کنند، اما این توانایی به تنهایی مفید نیست. دلیل خاص بودن فسفر سیاه نیمه رسانا بودن آن است. ماده‌ای که الکتریسیته را بهتر از یک عایق مانند شیشه هدایت می‌کند، اما مانند فلز مس نیست. سیلیکون موجود در ریز تراشه‌ها نمونه‌ای از یک نیمه هادی هستند و مشابه کنترل جریان برق توسط ساختار‌های کوچک ساخته شده از سیلیکون در ریزتراشه ها، ساختار‌های ساخته شده از فسفر سیاه نیز می‌توانند قطبش نور را با اعمال سیگنال الکتریکی به آن‌ها کنترل کنند.

ویژگی های فناوری مبتنی بر لایه‌های نازک فسفر سیاه

فناوری صفحه نمایش کریستال مایع (LCD) که در صفحه نمایش تلفن و تلویزیون یافت می‌شود، برخی از این توانایی‌ها را دارد، اما فناوری فسفر سیاه می‌تواند بسیار جلوتر از آن جهش کند. پیکسل‌های یک آرایه فسفر سیاه می‌توانند ۲۰ برابر کوچکتر از ال سی دی‌ها باشند در عین حال میلیون‌ها بار سریعتر به ورودی‌ها پاسخ می‌دهند. چنین سرعتی برای تماشای فیلم یا خواندن مقاله آنلاین ضروری نیست، اما می‌تواند انقلابی در ارتباطات راه دور ایجاد کند. کابل فیبر نوری که از طریق آن سیگنال‌های نوری در دستگاه‌های مخابراتی ارسال می‌شود، می‌تواند سیگنال‌های زیادی را قبل از شروع به تداخل و غلبه بر یکدیگر منتقل کند. اما یک دستگاه مخابراتی مبتنی بر لایه‌های نازک فسفر سیاه می‌تواند قطبی شدن هر سیگنال را طوری تنظیم کند که هیچ کدام با یکدیگر تداخل نداشته باشند. این به کابل فیبر نوری اجازه می‌دهد تا داده‌های بسیار بیشتری را نسبت به حال حاضر حمل کند.

این فناوری همچنین می‌تواند دریچه‌ای برای جایگزینی Wi-Fi مبتنی بر نور باز کند، چیزی که محققان در این زمینه از آن به عنوان Li-Fi یاد می‌کنند. دانشمندان به طور فزاینده‌ای در حال بررسی ارتباطات موج نور در فضای آزاد هستند. آن‌ها معتقدند که هیچ دلیلی وجود ندارد شما نتوانید در آینده در Starbucks بنشینید و از Li-Fi صد برابر سریعتر از Wi-Fi استفاده کنید. کشف مواد جدید می‌تواند آینده دستگاه‌های فوتونی را شکل دهد و اگر روزی بتوانید یک محصول تجاری ساخته شده از چنین مواد نازک اتمی بخرید، خوشحال کننده خواهد بود و آن روز چندان دور نیست. بودجه این تحقیق توسط وزارت انرژی آمریکا، وزارت آموزش، فرهنگ، ورزش، علم و فناوری ژاپن، انجمن ترویج علم و آژانس علم و فناوری ژاپن تامین شده است.