موجات الضوء تتصادم وكأنها أجسام ضخمة – عالم الفيزياء

موجات الضوء تتصادم وكأنها أجسام ضخمة – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 14 سبتمبر 2023 4:00 صباحًا

رسم تخطيطي لاصطدام فوتون في واجهة زمنية، يُظهر موجتين تنتشران عبر وجهي ساعتين وانفجار من اللون الأصفر حيث يلتقيان
الوارد: رسم تخطيطي لاصطدام الفوتون في واجهة زمنية، وهي مادة خارقة يمكن أن تخضع لتغيرات مفاجئة وكبيرة في خصائصها الكهرومغناطيسية. (بإذن من: آنا أومانا، مركز أبحاث العلوم المتقدمة في مركز الدراسات العليا بجامعة مدينة نيويورك)

يمكن أن تتصادم الفوتونات كما لو كانت أجسامًا ضخمة بفضل المواد الخارقة المعروفة باسم الواجهات الزمنية والتي تخضع لتغييرات مفاجئة في خصائصها البصرية. هذه هي النتيجة التي توصل إليها الباحثون في جامعة مدينة نيويورك بالولايات المتحدة، الذين يقولون إن عملهم يمكن أن يكون له تطبيقات في الاتصالات اللاسلكية، والتصوير، وتقنيات حصاد الطاقة.

عندما يصطدم جسمان ببعضهما البعض، فإنهما يتصادمان وتكون طاقتهما الحركية إما محفوظة أو مفقودة أو متزايدة، اعتمادًا على خواصهما الميكانيكية. في المقابل، يمر فوتونان (موجات كهرومغناطيسية) بشكل عام من خلال بعضهما البعض، على الرغم من أن تقابلهما قد يظهر من خلال ظواهر موجية مثل التداخل. ومع ذلك، فإن الوضع مختلف تمامًا عندما ينثرون بنية خاسرة أثناء تدخلهم. في هذه الحالة، يمكن أن تمر الطاقة بينهما بحيث يتم نقلها أو امتصاصها بالكامل اعتمادًا على السعة والطور النسبيين للفوتونات. يمكن استغلال مثل هذا "التحكم المتماسك في الموجات"، كما هو معروف، لخلق ظواهر مثل الامتصاص المثالي - أي التداخل المدمر للموجات مع تبديد طاقتها بالكامل - وتخصيص كمية الامتصاص على النحو المطلوب.

الباحثون بقيادة الفيزيائي والمهندس أندريا علي لقد أظهروا الآن أنهم قادرون على إنشاء شكل جديد من التحكم في تبادل الطاقة بين الفوتونات. وفي هذه العملية، أدركوا التماثل الضوئي للاصطدام الميكانيكي للموجات الكهرومغناطيسية باستخدام مواد خارقة يمكن أن تخضع لتغيرات مفاجئة وكبيرة في خصائصها الكهرومغناطيسية. سمحت هذه الاختلافات للفريق بإنشاء هيكل يعرف باسم واجهة الوقت.

يشرح آلو: "عندما تواجه موجتان تنتشران في اتجاهين متعاكسين مثل هذه الواجهة بينما تكونان متداخلتين، فإنهما تشهدان تبادلات سريعة للغاية للطاقة، كما لو كانتا جسمين متصادمين". "يمكن للمرحلة النسبية للموجتين التحكم في طبيعة هذا الاصطدام، والذي يمكنه إما الحفاظ على الطاقة أو تبديدها أو تضخيمها". في هذا الشكل من التحكم في الموجات المتماسكة الزمنية، تتداخل الموجات المنعكسة من الواجهة الزمنية بشكل مدمر مع الموجات المنكسرة. وفي ظل الظروف المناسبة، يسمح هذا بإلغاء إحدى الموجتين أو حتى كلتيهما.

تشكيل النبضات الكهرومغناطيسية

حصل الباحثون على فكرة عملهم الجديد بعد أن تساءلوا عما إذا كان من الممكن محو موجة ميكانيكية غير مرغوب فيها، مثل تسونامي أو موجة زلزالية، عن طريق "رمي" موجة أخرى مماثلة ضدها لمواجهتها. يقول: «على الرغم من أن مثل هذه النتيجة مستحيلة في فيزياء الموجات التقليدية، فقد كنا نعلم أنها ممكنة، من حيث المبدأ، باستخدام مادة خارقة مؤقتة». إيمانويل جاليفي، زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر آلو والمؤلف الرئيسي لدراسة في فيزياء الطبيعة في العمل. "لقد أتاحت لنا تجربتنا إظهار هذا المفهوم عمليًا بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية."

يمكن أيضًا استخدام هذا التناظري الضوئي للاصطدامات الميكانيكية لتشكيل النبضات الكهرومغناطيسية عن طريق اصطدامها ببعضها البعض. لقد أظهر الباحثون مثل هذا النحت للموجات الكهرومغناطيسية في نظام الموجات الدقيقة ويهدفون الآن إلى تحقيق ذلك عند ترددات أعلى باستخدام أجهزة مثل ترانزستورات الجرافين عالية السرعة بدلاً من واجهات الوقت.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء