وفقًا لأحدث عدد من مجلة "Nature Nanotechnology"، طوّر باحثون من جامعة غراتس للتكنولوجيا في النمسا وجامعة هارفارد وجامعة تكساس في أوستن بالولايات المتحدة هيكلًا سطحيًا فائقًا جديدًا يجمع بين طبقة أشباه الموصلات والبنى النانوية، مما يرفع كفاءة تحويل الضوء بنحو 72 ألف ضعف مقارنةً بالمواد التقليدية. ومن المتوقع أن يسهم هذا الإنجاز في تطوير قطاعي الاتصالات وتقنيات الكم.

تعتمد شبكات الاتصالات الضوئية الحديثة عبر الألياف على خاصية الانتشار الخطي للضوء لنقل المعلومات. غير أن التطبيقات مثل الحوسبة المعقدة وتقنيات الكم والتشفير الكمومي، بالإضافة إلى أمشاط التردد الضوئي المستخدمة في القياسات عالية الدقة، لا يكفي فيها الاعتماد على الانتشار الخطي للضوء فحسب، بل يلزم الاستفادة من الاستقطاب غير الخطي لتمكين الفوتونات من التفاعل وتبادل المعلومات فيما بينها.

تقليديًا، كان يُستخدم عادةً هيكل بلوري مثل نيوبات الليثيوم لتحقيق الاقتران غير الخطي للموجات الضوئية. غير أن هذه الطريقة تتطلب حجمًا كبيرًا من المواد وطاقة ضوئية عالية، مما يحدّ من تصغير الأجهزة ذات الصلة وتطبيقاتها. نقطة الانطلاق في هذا البحث هي مادة شبه موصلة خاصة طوّرها الفريق. فقد قاموا باستخدام تقنية النمو بالحزمة الجزيئية (Molecular Beam Epitaxy) بتحضير طبقات شبه موصلة نانوية من زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الألومنيوم والغاليوم، تتضمن آبارًا كمومية مقترنة بشكل غير متماثل. تعمل الآبار الكمومية على تقييد حركة الإلكترونات، مما يجعلها تشكّل مستويات طاقة كمومية. ونظرًا لأن الآبار الكمومية مصممة بشكل غير متماثل، فإن الإلكترونات تميل إلى التحرك في اتجاه واحد عند تعرضها للضوء. ويمكن للتذبذب الإلكتروني غير الخطي الناتج عن ذلك أن يتيح تفاعلًا أكثر كفاءة بين الموجات الضوئية المختلفة.

غير أنه للاستفادة الكاملة من هذه المادة، يجب أن ينتشر الضوء في اتجاه موازٍ لطبقة أشباه الموصلات. ولمعالجة هذه المشكلة، بنى الفريق طبقة سطحية فائقة فوق طبقة أشباه الموصلات. تتكون هذه الطبقة السطحية الفائقة من أعمدة نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم مرتبة بنمط رقعة الشطرنج، ويبلغ حجم كل عمود نانوي بضع مئات من النانومترات فقط. ويمكنها تغيير اتجاه انتشار الضوء، مما يجعل الضوء ينتشر على طول طبقة أشباه الموصلات، وبالتالي الاستفادة الكاملة من الخصائص غير الخطية للمادة.

أظهرت التجارب أنه عندما يضيء الضوء الجهاز عموديًا، فإن المجالات الضوئية تلغي بعضها البعض بسبب تماثل البنية الهندسية، مما يجعل توليد التوافقية الثانية شبه مستحيل. ويكفي أن يميل الباحثون الجهاز بزاوية تبلغ نحو 0.3 درجة فقط لكسر هذا التماثل، مما يتيح توليد الاستقطاب غير الخطي بكفاءة عالية.

تعني كفاءة التحويل الأعلى إمكانية تصنيع أجهزة بصرية أصغر حجمًا وأقل استهلاكًا للطاقة في المستقبل، مثل تقليل استهلاك الطاقة في نقل المعلومات بين أجهزة الكمبيوتر داخل مراكز البيانات. وقد تُطبَّق هذه التقنية أيضًا في مجالات الإلكترونيات الضوئية المتكاملة ومعالجة البيانات واسعة النطاق.