مصدر جديد للجسيمات النانوية يولد ضوءًا عالي التردد

الضوء عالي التردد مفيد. كلما زاد تردد الضوء ، كلما كان طوله الموجي أقصر – وكلما كان الطول الموجي أقصر ، كلما صغرت الأشياء والتفاصيل التي يمكن استخدام الضوء لرؤيتها.

لذلك يمكن للضوء البنفسجي أن يُظهر لك تفاصيل أصغر من الضوء الأحمر ، على سبيل المثال ، لأن طوله الموجي أقصر. لكن لرؤية أشياء صغيرة حقًا – حتى مقياس أجزاء من المليار من المتر ، أقل بآلاف المرات من عرض شعرة الإنسان – لترى هذه الأشياء ، فأنت بحاجة الضوء فوق البنفسجي الشديد (ومجهر جيد).

للأشعة فوق البنفسجية الشديدة ، ذات الأطوال الموجية بين 10 و 120 نانومتر ، العديد من التطبيقات في التصوير الطبي ، ودراسة الكائنات البيولوجية ، وفك رموز التفاصيل الدقيقة لرقائق الكمبيوتر أثناء تصنيعها. ومع ذلك ، فإن إنتاج مصادر صغيرة وبأسعار معقولة لهذا الضوء كان أمرًا صعبًا للغاية.

لقد وجدنا طريقة لجعل الجسيمات النانوية من مادة شائعة من أشباه الموصلات تصدر ضوءًا بتردد يصل إلى سبع مرات أعلى من تردد الضوء المرسل إليها. لقد قمنا بتوليد ضوء أزرق بنفسجي من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، وسيكون من الممكن توليد ضوء فوق بنفسجي شديد من الضوء الأحمر بنفس المبادئ. نُشر بحثنا ، الذي أجري مع زملاء من جامعة بريشيا وجامعة أريزونا وجامعة كوريا ، في Science Advances.

قوة التوافقيات

يبدأ نظامنا باستخدام ليزر عادي ينتج ضوء الأشعة تحت الحمراء طويل الموجة. وهذا ما يسمى ليزر المضخة ، ولا يوجد شيء خاص به – مثل هذه الليزرات متوفرة تجاريًا ، ويمكن أن تكون مضغوطة وبأسعار معقولة.

لكن بعد ذلك نطلق نبضات قصيرة من الضوء من هذا الليزر على جسيم نانوي مصمم خصيصًا لمادة تسمى زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم ، وهنا تصبح الأشياء مثيرة للاهتمام.

تمتص الجسيمات النانوية الطاقة من نبضات الليزر ، ثم تنبعث منها دفقة من الضوء. من خلال هندسة حجم وشكل الجسيمات النانوية بعناية ، يمكننا إنشاء رنين قوي لتضخيم توافقيات معينة للضوء المنبعث.

ماذا يعني ذلك بالضبط؟ حسنًا ، يمكننا إجراء تشابه مفيد مع الصوت.

عندما تعزف وترًا على جيتار ، فإنه يهتز بما يسمى به التردد الأساسى – مما يجعل النغمة الرئيسية التي تسمعها – بالإضافة إلى كميات صغيرة من الترددات الأعلى تسمى التوافقيات ، وهي مضاعفات التردد الأساسي. تم تصميم جسم الجيتار لإنتاج رنين يضخم بعضًا من هذه التوافقيات ويخفف البعض الآخر ، مما ينتج عنه الصوت العام الذي تسمعه.

يشترك كل من الضوء والصوت في أوجه التشابه في الفيزياء – كلاهما موجات انتشار (الموجات الصوتية في حالة الصوت ، والموجات الكهرومغناطيسية في حالة الضوء).

في مصدر الضوء لدينا ، يشبه ليزر المضخة النغمة الرئيسية للخيط ، والجسيمات النانوية تشبه جسم الجيتار. باستثناء ما يميز الجسيمات النانوية أنها تضخم بشكل كبير تلك التوافقيات الأعلى لمضخة الليزر ، وتنتج ضوءًا بتردد أعلى (يصل إلى سبع مرات أعلى في حالتنا ، وطول موجي يقابله سبع مرات أقصر).

ما هو جيد ل

تتيح لنا هذه التقنية إنشاء مصادر جديدة للضوء في أجزاء من الطيف الكهرومغناطيسي مثل الأشعة فوق البنفسجية الشديدة ، حيث لا توجد مصادر طبيعية للضوء وحيث تكون المصادر الهندسية الحالية كبيرة جدًا أو باهظة الثمن.

تستطيع المجاهر التقليدية التي تستخدم الضوء المرئي دراسة الأشياء التي يصل حجمها إلى حوالي عشرة ملايين من المتر. الدقة محدودة بطول موجة الضوء: يبلغ طول موجة الضوء البنفسجي حوالي 400 نانومتر (النانومتر الواحد يساوي واحد من المليار من المتر).

ولكن هناك الكثير من التطبيقات ، مثل التصوير البيولوجي وتصنيع الإلكترونيات ، حيث ستكون القدرة على الرؤية حتى جزء من المليار من المتر أو نحو ذلك بمثابة مساعدة كبيرة.

في الوقت الحالي ، لكي ترى في هذه المقاييس ، فأنت بحاجة إلى الفحص المجهري “فائق الدقة” ، والذي يتيح لك رؤية تفاصيل أصغر من الطول الموجي للضوء الذي تستخدمه ، أو المجاهر الإلكترونية ، التي لا تستخدم الضوء على الإطلاق وإنشاء صورة باستخدام التدفق من الإلكترونات. ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب بطيئة ومكلفة للغاية.

اقرأ المزيد: يمكن أن يكشف الاختراق الكمي للمجاهر عن تفاصيل الحياة غير المكتشفة

لفهم مزايا مصدر الضوء مثل مصدرنا ، ضع في اعتبارك رقائق الكمبيوتر: فهي مصنوعة من مكونات صغيرة جدًا بأحجام ميزات تصل إلى جزء من المليار من المتر. أثناء عملية الإنتاج ، سيكون من المفيد للمصنعين استخدام الأشعة فوق البنفسجية الشديدة لمراقبة العملية في الوقت الفعلي.

سيوفر هذا الموارد والوقت على دفعات سيئة من الرقائق. حجم الصناعة هو أن زيادة عوائد الرقائق بنسبة 1 ٪ يمكن أن توفر مليارات الدولارات كل عام.

في المستقبل ، يمكن استخدام الجسيمات النانوية مثل جسيماتنا لإنتاج مصادر صغيرة وغير مكلفة من الأشعة فوق البنفسجية الشديدة ، لتضيء عالم الأشياء الصغيرة للغاية.