بلورة فوتونية

البلورات الفوتونية Photonic crystals، هي تكرار دوري لشكل معين من مادة أولى في مادة ثانية تختلف عنها في قرينة انكسارها. قد يكون التكرار لسطح مستوٍ يتكرر على شكل طبقات متتالية من المادتين، أي تكرار في بعد واحد، أو تكرار في بُعدين، كأن تصطف مجموعة من الأعمدة الموشورية في بنية مثلثة أو مربعة أو مسدسة. ويمكن أن يكون التكرار في ثلاثة أبعاد، كأن تتوضع كرات من الزجاج متراصة في بنية مجسمة وسط الهواء أو الماء أو أي مادة أخرى.

بلورات فوتونية مختلفة في أبعاد الانتظام.

The opal in this bracelet contains a natural periodic microstructure responsible for its iridescent color. It is essentially a natural photonic crystal, although it does not have a complete photonic band gap.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 مقدمة

دليل موجة مختلفة الشكل.

في الواقع، تستمد هذه البنى تسميتها بالبلورة بسبب ذلك، إذ إنها تشبه البلورات العادية التي تتكرر فيها ذرات أو جزيئات تصطف بصورة دورية في ثلاثة أبعاد. تفرض هذه الدورية قيوداً على انتشار الضوء قد تصل إلى منع انتشاره في بعض الاتجاهات، إذا ما وقع تواترها (ترددها) في مجال معين من التواترات؛ فتسلك سلوك البلورات العادية عندما تمنع حركة الإلكترونات داخلها، فتكوِّن العوازل أو أنصاف النواقل. ولمّا كان تعاملها مع الضوء وفوتوناته، فقد سميت بلورات فوتونية. وتسمى أحياناً المواد الفوتونية ذات الفجوة العصابية Photonic band-gap materials.

ويستفاد من خاصة المنع هذه في صنع المرشحات الضوئية، وإذا ما جرى تعديل في البنية يمكن أن تعمل عمل دليل الموجة كما يمكن الاستفادة من اختلاف الانتشار باختلاف الاستقطاب في صنع قواطع ضوئية، فتكتمل بذلك العناصر الضوئية المقابلة للعناصر الإلكترونية المنمنمة Miniature والتي أدت إلى ثورة التقانات الإلكترونية، لتطرح الحواسيب الضوئية المعتمدة على الضوء والفوتونات نفسها منافسةً الحواسيب المعتمدة على الإلكترونات. في الواقع، تستعمل الآن في صناعة الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية Opto electronics مثل هذه العناصر التي تعتمد التفاعل بين الضوء وإلكترونات المواد، لتصنيع مُحِسات للضوء Sensors، لكن أهميتها تكمن في أنها تكمِل ما تحتاج إليه الحواسيب الضوئية من عناصر لتسخر الضوء فقط في عملها، مستفيدةً من السرعة العالية لانتشاره ومعالجته الإشارات الضوئية، إذ إن الحواسيب الحالية وصلت إلى حدود سرعتها النظرية المعتمدة على حركة الإلكترونات. فيمكن لهذه العناصر أن تتكامل مع عناصر أخرى على رقاقة، مكونةً معالجاتٍ وداراتٍ متكاملة (مُدْمجة)، وذواكر بصورة مشابهة للرقاقة الإلكترونية المستعملة في الحواسيب.

 تحديات التصنيع

انتظام ذاتي لكرات أقطارها من مرتبة المكرومتر.

يمكن الحصول على بلورات فوتونية إما بالتصنيع المباشر، كأن تحفر طبقات متتالية، مختلفة في قرينة انكسارها، لتكون البنية المطلوبة باستخدام كيماويات أو بالليزر (الشكل )، أو بالاستفادة من الانتظام الطبيعي الحاصل عند تبخر المُحِلات لمعلقاتٍ تحتوي كراتٍ أقطارها مرتبة الميكرومتر، مصنوعة من الزجاج أو من المواد البوليرية (الشكل 4). ويستفاد في الطريقتين من الخبرة المتراكمة لدى تصنيع الدارات المتكاملة على السيلكون،

سواء من حيث التصميم الطبقي أو من حيث التنميش والحفر على ركيزة لتكوين طرق ضوئية متكاملة وأدلة موجة فيما بعد، مما يجعل تعديل الإشارة الضوئية وكشف التعديل ممكناً بواسطة التحكم بالمواد التي تصادفها الإشارات الضوئية فيمكن أن تجمع الاشارات أو تطرح فيحدث تعديل في شدتها أو في تواترها أو في طورها واستقطابيتها، وهذه الأخيرة وسيط تتميز به الإشارات الضوئية مقارنة بالإشارات الإلكترونية.

 Computing photonic band structure

Band structure of a 1D Photonic Crystal, DBR air-core calculated using plane wave expansion technique with 101 planewaves, for d/a=0.8, and dielectric contrast of 12.250.

 التطبيقات

صورة لرقاقة فوتونية Photonic chip متكاملة متخَيَّلة يطلق عليها بعضهم مكروبولس الفوتونية Photonic micropolis نسبة إلى جون جوانوپولوس John Joannopoulos الأمريكي الجنسية وأول من صنع البلورات الفوتونية وبرهن على خواصها.

يستفاد من دراسة البلورات الفوتونية، إضافة إلى ما ذكر من تطبيقات فوائد تهم النظريين والمشتغلين في تصنيع المواد. إذ تمكنهم من اختبار نظرياتهم وتوقعاتهم في حالة البلورات العادية المصنوعة من الذرات الفعلية مع ما يقابلها في حالة البلورات الفوتونية التي يمكن تصنيعها والتحكم في أشكال اللبنات الأساسية المقابلة للذرات، وذلك نتيجة وجود تقابل بين معادلات مكسويل الحاكمة لسلوك الضوء ومعادلات شرودنگر في ميكانيكا الكم الحاكمة لسلوك الإلكترونات في المواد البلورية المختلفة، والتي كانت مرشدة لتطور الإلكترونيات والمواد المختلفة نصف الناقلة وثورتها. غير أن سرعة حركة الإلكترونات في المادة أقل بكثير من سرعة انتشار الضوء في المادة، مما يجعل الحواسيب الضوئية هدفاً يتجاوز محدودية سرعة الحواسيب الحالية، خاصة مع تطور الاتصالات عبر الألياف الضوئية، وبعض التعديلات التي استفادت هي أيضاً من خواص البلورات الفوتونية، لتُحسِّن من انتقائيتها وعملها في تقانات التضميم Multiplexing وعزل الإشارات الضوئية.

 انظر أيضاً

• بلورة غروانية
• Left-handed material
• Metamaterial
• تقنية نانوية
• مواد نانوية
• ألياف بلورية فوتونية
• Photonic metamaterials
• Superprism
• Superlens
• Thin-film optics
• Tunable metamaterials
• Optical medium

 وصلات خارجية

• Business report on Photonic Crystals in Metamaterials - see also Scope and Analyst
• Prof Yablonovitch's Optoelectronics Group at UCLA School of Engineering and Applied Sciences
• Prof John's page at University of Toronto
• Prof Vos's group at University of Twente
• Prof Giessen's group at Universität Stuttgart
• Prof Wegener's group at Universität Karlsruhe (TH)
• Photonic crystals tutorials by Prof S. Johnson at MIT
• Photonic crystals tutorials by Prof Cefe Lopez at ICMM
• Autocloning at Photonic Lattice, Inc
• ePIXnet Nanostructuring Platform for Photonic Integration
• PhOREMOST: Nanophotonics to realise molecular scale technology
• Metamaterials and Photonic Crystals Group at Unidad Asociada ICMM-CSIC/UPV
• Photonic crystals an introduction
• Prof Eich's group at Hamburg University of Technology
• Invisibility cloak created in 3-D; Photonic crystals(BBC)
• Extruded Flexible Polymer Photonics Crystals at Cambridge