لا تسير الأمور دائمًا كما يرغب الإنسان في الواقع. وهذا صحيح بشكل خاص في عالم الضوء. ومع ذلك، نجح فريق بحث في POSTECH في التحكم بنجاح في "الترايونات"، وهو تقدم نحو تطوير تكنولوجيا الاتصالات البصرية الثورية في نهاية المطاف.

نجح فريق الباحثين بقيادة البروفيسور كيونغ-داك بارك والطالب الدكتوراه هيونغوو لي في قسم الفيزياء في POSTECH في إنتاج ترايونات عالية النقاء باستخدام موجه بلازموني نانومتري والتحكم في الموقع الذي تم إنشاء الجسيمات فيه.

يتشكل التثاقل عندما يتم تركيز الضوء على مادة شبه الموصلات. التثاقل هو ارتباط بين إلكترون وثقب وهو كهربائياً محايد. إضافة إلكترون واحد إلى التثاقل ينتج عنه ترايون. على الرغم من أن كلا الجسيمين يُستخدمان لصنع أجهزة الاتصالات البصرية من الجيل القادم والخلايا الشمسية، إلا أن الترايونات توفر المزيد من المزايا على التثاقل. فهي أفضل لتطبيقات الأجهزة العملية حيث يمكن التحكم فيها بواسطة حقل كهربائي ولديها طاقة ربط أضعف.

استخدم الفريق "موجه بلازموني نانومتري" بعرض فجوة يبلغ حوالي 200 نانومتر لإنشاء الترايونات. تساعد الموجهة في تحويل الضوء إلى "بلازمونات"، وهو ظاهرة اهتزاز جماعي للإلكترونات. كما أنها تحجز البلازمونات بشكل قوي في مساحة أصغر من طول موجة الضوء لنقلها إلى الموقع المطلوب.

عندما يتم نقل مادة نصف الموصل ثنائية الأبعاد على الموجهة، تتمدد المادة على طول الحنق في الموجهة. يؤدي تركيز الضوء على المادة ثنائية الأبعاد إلى تكوين التثاقل في الشبه الموصل، وتتدفق إلى وسط الموجهة تمامًا كما يتدفق الماء من خلال قمع. يساعد التوتر العالي للبلازمونات في نقل الإلكترونات في جزء المعدن في الموجهة نحو الشبه الموصل. تتحرك الإلكترونات المنقولة ثم نحو وسط الموجهة للارتباط مع التثاقل، مكونةً في النهاية الترايونات.

نجح الفريق أيضًا في التحكم بالموقع الذي يتم فيه إنشاء الترايونات من خلال التحكم المكاني في البلازمونات باستخدام مزيج من البصريات المتكيفة والنانوبصريات. باستخدام هذه التكنولوجيا، تمكن الباحثون من إنتاج كل من البلازمونات والترايونات في الموقع المطلوب على الموجهة البلازمونية.

تعتبر هذه الأبحاث ذات أهمية بالغة نظرًا لاستخدام "الضوء" بدلاً من "الكهرباء". فقد ساهم الممر الذي يتحرك فيه الضوء في إيجاد حلاً لتطوير الأجهزة البصرية. كما أنه من ذو مغزى أن تجمعت الأبحاث بين تخصصات مختلفة، مثل "التثاقليات" التي تدرس الجسيمات مثل التثاقلات و "البلازمونيات" التي تستكشف البلازمونات. عندما نواجه حدودنا، فإننا عادة ما نبحث عن حل داخل مجالنا. ومع ذلك، فقد فكر الفريق خارج الصندوق لإيجاد حل استنادًا إلى تلاقي التخصصات المختلفة.

من المتوقع أن تسهم نتائج البحث بشكل كبير في التحكم الفعال في الأجهزة البصرية المعتمدة على الترايونات وتطوير أجهزة عالية الكفاءة لتحويل الطاقة بصريًا. قال هيونغوو لي، المؤلف الأول للدراسة: "أعتقد أن البحث قد حدد مفهومًا فيزيائيًا جديدًا يمكن أن يخلق ويتحكم في الترايونات في المساحات النانومترية. استنادًا إلى نتائج البحث، أنا أصوغ بحثًا حول تكنولوجيا معلومات واتصالات مجال واسع باستخدام جسيمات شبه الموصلات".

تم تصنيع الموجهة البلازمونية بواسطة فريق بقيادة هيوك تشو، النائب التنفيذي لشركة سامسونج الإلكترونيات؛ تم إجراء التحليل المسبق للعينات بواسطة فريق بقيادة البروفيسور هونغ سوك لي والبروفيسور سانغمين أن من جامعة جيونبوك الوطنية؛ تم تجهيز المواد المستخدمة في التجربة بواسطة فريق بقيادة البروفيسور كي كانغ كيم من جامعة سونغكيونكوان؛ وتم إجراء القياسات بالتعاون مع يونجيونغ كو وهويتاي جو ومينغو كانغ من قسم الفيزياء في POSTECH.

تم نشر البحث في مجلة "Nature Communications".