تكنولوجيا هاري بوتر لم تعد بعيدة جداً

رسالة دكتوراه تُصمم أجهزة جديدة تعتمد على المواد فوق-الطبيعية

صمم مهندس الاتصالات فيكتور توريس لانديفار (Víctor Torres Landivar) وصنع أجهزة جديدة تعتمد على المواد متعددة الخواص وفوق-الطبيعية (metamaterials)؛ وهي عبارة عن مواد صناعية تمتلك خواص غير موجودة في المواد الطبيعية.

خلال دفاعه عن رسالة الدكتوراه، أنجز أول برهان تجريبي على وجود المواد متعددة الخواص ذات السماحية القريبة من الصفر (ENZ)؛ ويقول لانديفار "تمتلك تلك المواد مميزات مفاجئة؛ مثل حقيقة أنه يُمكن لموجة تتحرك عبر تلك المواد بسرعة لانهائية تقريباً، وبالتالي يُمكن نقلها من مكان إلى آخر بدون حصول فقدان يُذكر في الطاقة ولا يُهم مدى استثنائية أو تعقيد شكل المادة. إن المجالات المحتملة لتطبيقات هذه الأوساط واسعة جداً؛ فعلى سبيل المثال يُمكن استخدامها في الدارات النانوية، الرفع الكهربائي أو الاختفاء".

ركز البحث في معظمه على تصميم مواد فوق-طبيعية جديدة عند ترددات من رتبة التيراهرتز (THz)؛ وهو نطاق موجي يقع بين الأمواج الميكروية وتحت الحمراء؛ ويضيف السيد توريس "إنه نطاق موجي يتمتع بإتاحية واسعة من حيث تطبيقاته في مجال الطب الحيوي وعلم الفلك الراديوي والأمن -عند الحديث عن كشف المتفجرات والقنابل. وعند الحديث عن نطاق موجي تمَّ استخدامه مؤخراً، ندرك مباشرةً افتقادنا الكبير للأجهزة الفعالة؛ ولهذا السبب تحديداً يُساهم بحثنا في ملء هذه الفجوة". 

تحمل أطروحة الدكتوراه الخاصة بتوريس عنوان "المواد البلازمية والمواد فوق-الطبيعية عند ترددات من رتبة التيراهرتز".

لا تنتج خواص المواد فوق-الطبيعية عن تركيبها، وإنما هي نتيجة للشكل الذي صُممت وفقاً له؛ ويقول توريس "على سبيل المثال، يُمكن عبر هذه الطريقة إنجاز المواد التي تتمتع بعامل انعراج سالب وبالتالي تحني الضوء في الاتجاه المعاكس لما يحصل في المواد الطبيعية".

* النتائج المستخلصة 
يُمكن تلخيص نتائج هذا البحث في ثلاث مجموعات كبيرة: المواد فوق-الطبيعية ذات قابليةالإرسال الفائقة (extraordinary transmission metamaterials) والمواد فوق-الطبيعية ENZ والهوائيات النانوية البصرية (optical nano-antennae).

ووفقاً لمؤلف البحث، تتمتع المواد فوق-الطبيعية ذات قابلية الإرسال الفائقة ببنية معدنية رقيقة جداً وهي مؤلفة من فجوات صغيرة جداً؛ ويُمكن لنسق من تلك الثقوب أن يُمَكن الضوء من المرور عبره ولكن بطريقة مختلفة جداً عما هي الحال مع الثقوب الأكبر؛ ويُضيف توريس "وجدنا طريقة خاصة من أجل إيجاد اتصال داخلي بين تلك الثقوب؛ وتمَّ ذلك الأمر عبر وجود خطوط متعرجة الشكل تُعطي لتلك المواد فوق-الطبيعية مميزات إضافية".

حالما تمت معرفة سلوك البنية الجديدة، تمَّ تصميم وتصنيع مستقطب يُمَكنهم من التحكم في اتجاه الضوء عبر البنية ومن تغيير اتجاهه أيضاً؛ ويقول توريس "المستقطب قادر على العمل عند نطاقيين موجيين بترددين مختلفين وبوجود مميزات نطاق موجي جيدة جداً وسماكة صغيرة أيضاً؛ ويؤدي هذا الأمر إلى جعله جهازاً ينافس في كثير من الأحيان الأجهزة التجارية التي تفوقه من حيث الأداء".

وبما يتعلق بالمواد فوق-الطبيعية ENZ، فقد تم تكريس خواصها من أجل تصميم وتصنيع العدسات المعدنية التي تمتلك أداءً عالياً جداً؛ وبوجود هذه العدسات يُمكن للموجة الكهرومغناطيسية أن تمر عبر قنوات ضيقة جداً وقريبة من بعضها البعض؛ ويُضيف توريس "تمنح الهندسة الصحيحة لهذه القنوات، بالإضافة إلى شكل العدسة نفسه تلك القنوات خواص تركيز إشعاعي وطاقي أكبر من تلك الموجودة في العدسات الكلاسيكية المُصنعة باستخدام مواد أخرى". 

قام توريس بتصميم وتصنيع تلك العدسات باستخدام بروفايل مستوي ومقعر من أجل العمل عند التردد 0.15 تيرا هرتز؛ ويُضيف توريس "كانت أول برهان تجريبي على مثل هذا النوع من المواد ENZ؛ وأكثر من ذلك، قُمنا باقتراح تصميم نظري أكثر تطوراً تمَّ فيه تخفيض حجم العدسة في الوقت الذي حافظنا فيه على الأداء نفسه".

أخيراً، عمل توريس على تصميم هوائيات نانوية؛ إذ يقول "يتضمن هذا أجهزة صُنعت عبر جمع الجسيمات النانوية المعدنية (في العادة الذهب أو الفضة) التي تتبع سلوكاً مشابهاً للحالة التي نراها في الهوائيات راديوية التردد ولكن في حالتنا كان الأمر في مجال الترددات البصرية".

من اجل إطروحة الدكتوراه، قام توريس بتصميم وتصنيع هوائيات نانوية تتصف بخاصية فريدة تسمح لها بتقديم نطاق موجي أكبر من ذلك الموجود في بقية الهوائيات النانوية ولكنها من ناحية أخرى تعتمد على تركيز مشابه للطاقة.

يقول توريس "بهذه الطريقة، يُمكن استخدامها في تجارب التحليل الطيفي متعدد الترددات. تُعطي الهوائيات النانوية المتكافئة وبشكلٍ متزامن ربحاً في ثلاثة أنواع من التجارب الطيفية المختلفة (الاستشعاع fluorescence وامتصاص رامان Raman absorption والأشعة تحت الحمراء infra-red)؛ وعلى سبيل المثال، يُمكنك بالاعتماد على هذا النوع أن تستخدم هوائياً نانوياً واحداً بدلاً من الاعتماد على ثلاثة انواع مختلفة من الهوائيات النانوية لكل تجربة من التجارب".

المصدر