بلورة فوتونية
البلورات الفوتونية Photonic crystals، هي تكرار دوري لشكل معين من مادة أولى في مادة ثانية تختلف عنها في قرينة انكسارها. قد يحدث التكرار لسطح مستوٍ يتكرر على شكل طبقات متتالية من المادتين، أي تكرار في بعد واحد، أوتكرار في بُعدين، كأن تصطف مجموعة من الأعمدة الموشورية في بنية مثلثة أومربعة أومسدسة. ويمكن حتىقد يكون التكرار في ثلاثة أبعاد، كأن تتوضع كرات من الزجاج متراصة في بنية مجسمة وسط الهواء أوالماء أوأي مادة أخرى.
مقدمة
في الواقع، تستمد هذه البنى تسميتها بالبلورة بسبب ذلك، إذ إنها تشبه البلورات العادية التي تتكرر فيها ذرات أوجزيئات تصطف بصورة دورية في ثلاثة أبعاد. تفرض هذه الدورية قيوداً على انتشار الضوء قد تصل إلى منع انتشاره في بعض الاتجاهات، إذا ما سقط تواترها (ترددها) في مجال معين من التواترات؛ فتسلك سلوك البلورات العادية عندما تمنع حركة الإلكترونات داخلها، فتكوِّن العوازل أوأنصاف 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 خلق المرشحات الضوئية، وإذا ما جرى تعديل في البنية يمكن حتى تعمل عمل مرشد الموجة كما يمكن الاستفادة من اختلاف الانتشار باختلاف الاستقطاب في خلق قواطع ضوئية، فتكتمل بذلك العناصر الضوئية اللقاءة 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 بحاجة إليه الحواسيب الضوئية من عناصر لتسخر الضوء فقط في عملها، مستفيدةً من السرعة العالية لانتشاره ومعالجته الإشارات الضوئية، إذ إذا الحواسيب الحالية وصلت إلى حدود سرعتها النظرية المعتمدة على حركة الإلكترونات. فيمكن لهذه العناصر حتى تتكامل مع عناصر أخرى على رقاقة، مكونةً معالجاتٍ وداراتٍ متكاملة (مُدْمجة)، وذواكر بصورة مماثلة للرقاقة الإلكترونية المستعملة في الحواسيب.
البلورات الفوتونية أحادية الأبعاد
البلورات الفوتونية ثنائية الأبعاد
البلورات الفوتونية ثلاثية الأبعاد
تحديات التصنيع
يمكن الحصول على بلورات فوتونية إما بالتصنيع المباشر، كأن تحفر طبقات متتالية، مختلفة في قرينة انكسارها، لتكون البنية المطلوبة باستخدام كيماويات أوبالليزر (الشكل )، أوبالاستفادة من الانتظام الطبيعي الحاصل عند تبخر المُحِلات لمعلقاتٍ تحتوي كراتٍ أقطارها مرتبة الميكرومتر، مصنوعة من الزجاج أومن المواد البوليرية (الشكل 4). ويستفاد في الطريقتين من الخبرة المتراكمة لدى تصنيع الدارات المتكاملة على السيلكون،
سواء من حيث التصميم الطبقي أومن 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 حتى تجمع الاشارات أوتطرح فيحدث تعديل في شدتها أوفي تواترها أوفي طورها واستقطابيتها، وهذه الأخيرة وسيط تتميز به الإشارات الضوئية مقارنة بالإشارات الإلكترونية.
Computing photonic band structure
التطبيقات
يستفاد من دراسة البلورات الفوتونية، إضافة إلى ما ذكر من تطبيقات فوائد تهم النظريين والمشتغلين في تصنيع المواد. إذ تمكنهم من اختبار نظرياتهم وتسقطاتهم في حالة البلورات العادية المصنوعة من الذرات العملية مع ما يقابلها في حالة البلورات الفوتونية التي يمكن تصنيعها والتحكم في أشكال اللبنات الأساسية اللقاءة للذرات، وذلك نتيجة وجود تقابل بين معادلات مكسويل الحاكمة لسلوك الضوء ومعادلات شرودنگر في ميكانيكا الكم الحاكمة لسلوك الإلكترونات في المواد البلورية المتنوعة، والتي كانت مرشدة لتطور الإلكترونيات والمواد المتنوعة نصف الناقلة وثورتها. غير حتى 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
المصادر
- ^ فوزي عوض. "البلورات الفوتونية". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-03-21.
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
