تقنية النانو الضوئية

إذا أمكن ضغط الضوء في حجم صغير، فإنه يمكن امتصاصه وكشفه بواسطة كاشف صغير. تتميز الكواشف الضوئية الصغيرة بمجموعة متنوعة من الخصائص المرغوبة، بما في ذلك انخفاض مستوى الضوضاء، والسرعة العالية، وانخفاض الجهد والطاقة. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

تتمتع الليزرات الصغيرة بخصائص مرغوبة عديدة في مجال الاتصالات الضوئية ، بما في ذلك تيار العتبة المنخفض (مما يُحسّن كفاءة الطاقة) والتعديل السريع ^{[ 9 ]} (مما يعني نقل المزيد من البيانات). تتطلب الليزرات الصغيرة جدًا تجاويف بصرية ذات أبعاد دون الطول الموجي . ومن الأمثلة على ذلك ليزرات "سبازر "، وهي نوع من الليزرات يعتمد على بلازمونات السطح .

تُصنع الدوائر المتكاملة باستخدام الطباعة الضوئية ، أي تعريضها للضوء. ولصنع ترانزستورات متناهية الصغر، يجب تركيز الضوء للحصول على صور فائقة الوضوح. وباستخدام تقنيات متنوعة، مثل الطباعة الضوئية بالغمر وأقنعة تغيير الطور الضوئية ، أصبح من الممكن بالفعل إنتاج صور أدق بكثير من الطول الموجي، على سبيل المثال، رسم  خطوط بسمك 30 نانومتر باستخدام  ضوء بطول موجي 193 نانومتر. ^{[ 10 ]} كما اقتُرحت تقنيات البلازمونيات لهذا التطبيق. ^{[ 11 ]}

يُعدّ التسجيل المغناطيسي المُعزّز بالحرارة تقنيةً نانويةً ضوئيةً لزيادة كمية البيانات التي يُمكن تخزينها على محرك الأقراص المغناطيسية. وتتطلب هذه التقنية استخدام الليزر لتسخين منطقة صغيرة جدًا (أقل من الطول الموجي) من المادة المغناطيسية قبل كتابة البيانات. ويحتوي رأس الكتابة المغناطيسي على مكونات بصرية معدنية لتركيز الضوء في الموقع المطلوب.

أدى تصغير حجم المكونات في الإلكترونيات الضوئية ، كتصغير حجم الترانزستورات في الدوائر المتكاملة على سبيل المثال ، إلى تحسين سرعتها وخفض تكلفتها. مع ذلك، لا يمكن تصغير حجم دوائر الإلكترونيات الضوئية إلا بتصغير المكونات الضوئية بالتوازي مع المكونات الإلكترونية. وهذا مهم للاتصالات الضوئية على الرقاقة (أي نقل المعلومات من جزء إلى آخر في رقاقة دقيقة عبر إرسال الضوء من خلال الموجهات الضوئية، بدلاً من تغيير الجهد الكهربائي على سلك). ^{[ 7 ] [ 12 ]}

غالبًا ما تعمل الخلايا الشمسية بأفضل كفاءة عندما يُمتص الضوء بالقرب من سطحها، وذلك لأن الإلكترونات القريبة من السطح لديها فرصة أكبر للتجميع، ولأن الجهاز يُمكن تصنيعه بسمك أقل، مما يُقلل التكلفة. وقد بحث الباحثون في مجموعة متنوعة من تقنيات النانو الضوئية لتكثيف الضوء في المواقع المثلى داخل الخلية الشمسية. ^{[ 13 ]}

كما تم ربط تقنية النانو الضوئية بالمساعدة في إطلاق العلاجات المضادة للسرطان، مثل أدرياميسين، بشكل متحكم فيه وحسب الطلب من هوائيات بصرية نانوية مسامية، وذلك لاستهداف سرطان الثدي ثلاثي السلبية، والحد من آليات مقاومة الأدوية المضادة للسرطان عن طريق الإخراج الخلوي، وبالتالي تجنب السمية التي تصيب الأنسجة والخلايا الجهازية الطبيعية. ^{[ 14 ]}

استخدام تقنية النانو الضوئية لإنتاج شدة ذروة عالية : عند تركيز كمية معينة من طاقة الضوء في حجم أصغر فأصغر ("بقعة ساخنة")، تزداد شدة الضوء في هذه البقعة. يُعدّ هذا مفيدًا بشكل خاص في البصريات غير الخطية ؛ ومن الأمثلة على ذلك تشتت رامان المُحسَّن سطحيًا . كما يسمح بإجراء قياسات طيفية دقيقة حتى للجزيئات المفردة الموجودة في البقعة الساخنة، على عكس طرق التحليل الطيفي التقليدية التي تعتمد على حساب المتوسط ​​لملايين أو مليارات الجزيئات. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

يتمثل أحد أهداف تقنية النانو الضوئية في بناء ما يُسمى "العدسة الفائقة "، التي تستخدم موادًا فائقة (انظر أدناه) أو تقنيات أخرى لإنشاء صور أكثر دقة من حد الحيود ( أبعاد دون الطول الموجي ). في عام 1995، أثبت جون إم. غيرا ذلك من خلال تصوير محزز سيليكوني ذي  خطوط وفراغات بعرض 50 نانومترًا باستخدام إضاءة  بطول موجي 650 نانومترًا في الهواء. ^{[ 17 ]} وقد تحقق ذلك عن طريق ربط محزز طور شفاف ذي  خطوط وفراغات بعرض 50 نانومترًا (مادة فائقة) بعدسة مجهر غاطسة (عدسة فائقة).

يُعدّ المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب (NSOM أو SNOM) تقنية نانوفوتونية مختلفة تمامًا، تُحقق الهدف نفسه المتمثل في التقاط صور بدقة أصغر بكثير من الطول الموجي. وتعتمد هذه التقنية على مسح سطح المادة المراد تصويرها باستخدام طرف حاد جدًا أو فتحة صغيرة جدًا. ^{[ 2 ]}

يشير مصطلح مجهر المجال القريب بشكل عام إلى أي تقنية تستخدم المجال القريب (انظر أدناه) لتحقيق دقة نانوية، أي دقة دون الطول الموجي. في عام 1987، حقق جون إم. غيرا (أثناء عمله في شركة بولارويد) هذا الإنجاز باستخدام مجهر نفق الفوتون ذي المجال الكامل غير الماسح. ^{[ 18 ]} وفي مثال آخر، يتميز قياس التداخل ثنائي الاستقطاب بدقة بيكومترية في المستوى الرأسي فوق سطح الدليل الموجي.

استُخدمت تقنية النانو الضوئية، المتمثلة في هياكل بصرية قريبة المدى ذات أبعاد دون الطول الموجي، سواء كانت منفصلة عن وسائط التسجيل أو مدمجة فيها، لأول مرة من قِبل جون إم. غيرا وفريقه لتحقيق كثافات تسجيل بصري أعلى بكثير مما يسمح به حد الانعراج. ^{[ 19 ]} بدأ هذا العمل في ثمانينيات القرن الماضي في شركة بولارويد للهندسة البصرية (كامبريدج، ماساتشوستس)، واستمر بموجب ترخيص في شركة كاليمتريكس (بيدفورد، ماساتشوستس) بدعم من برنامج التكنولوجيا المتقدمة التابع للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا.

في عام ٢٠٠٢، أثبت جون إم. غيرا (شركة نانوبتك) أن الهياكل النانوية البصرية لأشباه الموصلات تُظهر انزياحات في فجوة الطاقة نتيجةً للإجهاد المُستحث. في حالة ثاني أكسيد التيتانيوم،  تمتص الهياكل التي يقل عرضها عن ٢٠٠ نانومتر (نصف الارتفاع) ليس فقط الأشعة فوق البنفسجية المعتادة من الطيف الشمسي، بل تمتد أيضًا إلى نطاق الضوء الأزرق المرئي عالي الطاقة. في عام ٢٠٠٨، نشر ثولين وغيرا ​​نموذجًا أظهر ليس فقط انزياح فجوة الطاقة، بل أيضًا انزياح حافة النطاق، وزيادة في حركة الثقوب لتقليل إعادة تركيب الشحنات. ^{[ ٢٠ ]} يُستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم المُهندس ذو فجوة الطاقة المُعدلة كقطب ضوئي في الإنتاج الضوئي والكهروكيميائي الضوئي الفعال لوقود الهيدروجين من ضوء الشمس والماء.

تُعدّ الفوتونيات السيليكونية فرعًا من فروع الفوتونيات النانوية ، حيث تُصنع هياكل نانوية لأجهزة إلكترونية ضوئية على ركائز سيليكونية، قادرة على التحكم في كلٍّ من الضوء والإلكترونات. وتتيح هذه الأجهزة دمج الوظائف الإلكترونية والبصرية في جهاز واحد. وتجد هذه الأجهزة تطبيقات متنوعة خارج الأوساط الأكاديمية، ^{[ 21 ]} مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ومطيافية النغمات التوافقية ، والبوابات المنطقية، والتشفير على رقاقة، وغيرها. ^{[ 21 ]}

اعتبارًا من عام 2016، شمل البحث في مجال الفوتونيات المصنوعة من السيليكون معدلات الضوء، والموجهات الضوئية ، والموصلات البينية ، ومضخمات الضوء ، وكاشفات الضوء ، وعناصر الذاكرة، والبلورات الضوئية ، وما إلى ذلك.

يُعد توليد الطاقة الكهربائية بكفاءة من ضوء الشمس ( للألواح الشمسية ) مجالاً ذا أهمية خاصة بالنسبة للهياكل النانوية المصنوعة من السيليكون. ^{[ 22 ]}

تُعدّ المعادن وسيلة فعّالة لحصر الضوء في نطاقات أصغر بكثير من الطول الموجي. وقد استُخدمت هذه التقنية في الأصل في هندسة الراديو والميكروويف، حيث قد تكون الهوائيات والموجات المعدنية أصغر بمئات المرات من الطول الموجي في الفضاء الحر. وللسبب نفسه، يمكن حصر الضوء المرئي في النطاق النانوي عبر هياكل معدنية نانوية، مثل الهياكل النانوية، والأطراف، والفجوات، وما إلى ذلك. تبدو العديد من تصميمات البصريات النانوية كدوائر الميكروويف أو الراديو الشائعة، ولكن بحجم مصغر بمقدار 100,000 مرة أو أكثر. ففي النهاية، تُعدّ موجات الراديو والميكروويف والضوء المرئي جميعها إشعاعات كهرومغناطيسية، ولا تختلف إلا في التردد. لذا، وبافتراض ثبات العوامل الأخرى، فإن دائرة الميكروويف المصغرة بمقدار 100,000 مرة ستتصرف بالطريقة نفسها ولكن بتردد أعلى بمقدار 100,000 مرة. ^{[ 23 ] [ 24 ]} يُشبه هذا التأثير إلى حد ما مانعة الصواعق، حيث يتركز المجال عند طرفها. يُطلق على المجال التكنولوجي الذي يستفيد من التفاعل بين الضوء والمعادن اسم البلازمونيات . وهو قائم أساسًا على حقيقة أن سماحية المعدن كبيرة جدًا وسالبة. عند الترددات العالية جدًا (القريبة من تردد البلازما أو أعلى منه ، وعادةً ما تكون فوق بنفسجية)، تصبح سماحية المعدن أقل قيمة، ويتوقف المعدن عن كونه مفيدًا في تركيز المجالات.

فعلى سبيل المثال، قام الباحثون بتصنيع ثنائيات أقطاب نانوية بصرية وهوائيات ياغي-أودا باتباع نفس التصميم المستخدم في هوائيات الراديو. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

تُعدّ الموجهات المعدنية ذات الألواح المتوازية (الخطوط الشريطية)، وعناصر الدوائر ذات الثوابت المجمعة مثل الحث والسعة (عند ترددات الضوء المرئي ، حيث تكون قيم السعة في حدود الفيمتوهنري والأتوفاراد على التوالي)، ومطابقة معاوقة هوائيات ثنائية القطب مع خطوط النقل ، وهي جميعها تقنيات مألوفة في ترددات الميكروويف ، من بين المجالات الحالية لتطوير تقنية النانو الضوئية. ومع ذلك، توجد اختلافات جوهرية بين البصريات النانوية ودوائر الميكروويف المصغرة. فعلى سبيل المثال، عند الترددات الضوئية، تتصرف المعادن بشكل أقل كموصلات مثالية، كما تُظهر تأثيرات مثيرة للاهتمام متعلقة بالبلازمون مثل الحث الحركي ورنين البلازمون السطحي . وبالمثل، تتفاعل المجالات الضوئية مع أشباه الموصلات بطريقة مختلفة تمامًا عن تفاعلها مع موجات الميكروويف.

يتكون تحويل فورييه لتوزيع المجال المكاني من ترددات مكانية مختلفة . وتتوافق الترددات المكانية الأعلى مع السمات الدقيقة للغاية والحواف الحادة.

في مجال الفوتونيات النانوية، تُدرس مصادر الإشعاع شديدة التمركز (مثل الجزيئات الفلورية ثنائية القطب ). يمكن تحليل هذه المصادر إلى طيف واسع من الموجات المستوية ذات أعداد موجية مختلفة ، والتي تُقابل الترددات المكانية الزاوية. تُشكل مكونات التردد ذات الأعداد الموجية الأعلى مقارنةً بالعدد الموجي للضوء في الفضاء الحر حقولًا متلاشية. توجد هذه المكونات المتلاشية فقط في المجال القريب من الباعث وتتلاشى دون نقل طاقة صافية إلى المجال البعيد . وبالتالي، تتلاشى المعلومات دون الطول الموجي الصادرة من الباعث، مما يؤدي إلى حد الحيود في الأنظمة البصرية. ^{[ 28 ]}

يهتم علم النانو الضوئي بشكل أساسي بالموجات المتلاشية في المجال القريب. فعلى سبيل المثال، تمنع العدسة الفائقة (المذكورة أعلاه) اضمحلال الموجة المتلاشية، مما يسمح بالتصوير بدقة أعلى.

المواد الفائقة هي مواد اصطناعية مصممة لتتمتع بخصائص قد لا توجد في الطبيعة. تُصنع هذه المواد من خلال تصنيع مجموعة من الهياكل أصغر بكثير من الطول الموجي. يُعدّ صغر حجم هذه الهياكل (بالنانو) أمرًا بالغ الأهمية، إذ يسمح للضوء بالتفاعل معها كما لو كانت تشكل وسطًا متجانسًا ومتصلًا، بدلًا من تشتته عند اصطدامه بالهياكل الفردية.