دستاورد نانوفناوری: کنترل پاسخ فوتوحرارتی نانوساختارها با نور لیزر در دانشگاه مازندران

پژوهشی در قلب فناوری نانو

طرح پژوهشی با عنوان «مدل‌سازی پاسخ فوتوحرارتی غیرخطی در نانوساختارهای سریع شامل مواد هوشمند انتقال فاز برای کارکردهای فوتونیکی کوک‌پذیر» به سرپرستی آرزو رشیدی، عضو هیئت‌علمی دانشگاه مازندران، انجام شده است. تمرکز اصلی این تحقیق بر بررسی دقیق رفتار اپتیکی مواد در مقیاس نانو و ارائه مدلی کارآمد برای کنترل این رفتار در ساختارهای فوتونیکی پیشرفته است.

«اهمیت نانویی بودن این طرح از آنجا ناشی می‌شود که خواص اپتیکی مواد در ابعاد نانومتری تفاوت قابل توجهی با حالت‌های میکرومتری یا توده‌ای دارند. در این مقیاس، تغییرات ساختاری کوچک می‌تواند به تغییرات چشمگیر در پاسخ نوری منجر شود و همین ویژگی امکان طراحی ابزارهای فوتونیکی فعال با سرعت پاسخ بالا و قابلیت تنظیم دقیق را فراهم می‌کند.» - آرزو رشیدی

چالش فوتونیک و راهکار مواد هوشمند

رشیدی، متخصص فیزیک اتمی ـ مولکولی با گرایش لیزر، درباره ضرورت این پژوهش توضیح داد: «یکی از چالش‌های مهم در حوزه فوتونیک، کنترل دقیق پاسخ نوری ساختارهایی است که برای کاربردهای خاص طراحی می‌شوند. برای دستیابی به چنین کنترلی، نیاز به موادی وجود دارد که بتوانند خواص خود را به صورت قابل تنظیم تغییر دهند.»

وی افزود که در این میان، مواد هوشمند تغییر فاز گزینه‌ای بسیار مناسب به شمار می‌روند. این مواد قادرند میان چندین حالت ساختاری مختلف به صورت برگشت‌پذیر جابه‌جا شوند و این جابه‌جایی می‌تواند با استفاده از محرک‌های بیرونی مانند نور، حرارت یا فشار انجام گیرد.

نمونه‌های برجسته مواد تغییر فاز: آلیاژهای کالکوژنید

از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های مواد تغییر فاز می‌توان به آلیاژهای کالکوژنید اشاره کرد. این آلیاژها در دمای حدود ۴۱۰ کلوین دچار گذار از فاز آمورف به فاز بلوری می‌شوند و همین تغییر ساختار، خواص اپتیکی آن‌ها را به طور قابل توجهی دگرگون می‌کند.

رویکرد نوین در برابر مطالعات پیشین

رشیدی با اشاره به مطالعات گذشته در این حوزه اظهار کرد: «بسیاری از پژوهش‌های قبلی بر تغییر پارامترهای فیزیکی ساختار مانند ضخامت لایه‌ها یا نوع ماده تمرکز داشته‌اند. این روش‌ها اگرچه برای بهینه‌سازی عملکرد مفید هستند، اما معمولا مستلزم ساخت نمونه‌های جدید بوده و امکان تنظیم لحظه‌ای رفتار نوری را فراهم نمی‌کنند. به همین دلیل این رویکردها بیشتر جنبه طراحی و بهینه‌سازی تئوریک دارند و در عمل قابلیت کنترل پویا و آنی پاسخ نوری ساختارها را در اختیار کاربر قرار نمی‌دهند.»

در این طرح، تلاش شده است از مواد فعال استفاده شود؛ موادی که دارای خواص قابل کنترل هستند و می‌توانند در پاسخ به تحریک بیرونی، ویژگی‌های نوری خود را تغییر دهند. شناخت دقیق نحوه پاسخ‌دهی این مواد به نور تابشی می‌تواند درک عمیق‌تری از کاربردهای بالقوه آن‌ها در سامانه‌های فوتونیکی فراهم کند. این موضوع به ویژه در طراحی و توسعه ابزارهایی مانند حسگرهای نوری، جاذب‌های نوری و فوتوآشکارسازهای فعال اهمیت دارد.

ماده فعال و نقش نور لیزر

در این پژوهش، ماده فعال مورد استفاده همان ماده تغییر فاز است که در اثر تابش نور لیزر دچار تغییر در پیکربندی ساختاری می‌شود. این تغییر ساختار امکان تنظیم و کنترل رفتار اپتیکی نانوساختارهای حاوی این مواد را فراهم می‌کند.

«هدف ما بررسی پاسخ نوری مواد تغییر فاز در نانوساختارهای حاوی آن‌ها و همچنین کنترل این پاسخ با استفاده از یک عامل خارجی یعنی شدت نور لیزر بوده است.» - آرزو رشیدی

رشیدی توضیح داد که نور لیزر با شدت بالا می‌تواند برانگیختگی غیرخطی مرتبه سوم را در مواد فعال کند؛ به‌ویژه در موادی که ضرایب غیرخطی بزرگی دارند. این نوع برانگیختگی موجب تغییر در ویژگی‌های اپتیکی ماده می‌شود و در نتیجه می‌توان رفتار نوری ساختار را به صورت پویا کنترل کرد.

آینده ابزارهای فوتونیکی هوشمند

به گفته این پژوهشگر، ترکیب دو سازوکار مهم یعنی تغییر فاز مواد و برهم‌کنش‌های غیرخطی نور با ماده، یک مسیر جدید برای طراحی و توسعه ابزارهای فوتونیکی پیشرفته ایجاد می‌کند. هدف نهایی این رویکرد آن است که با استفاده از شدت نور لیزر، از یک سو قابلیت تغییر فاز برای تنظیم دینامیکی رفتار اپتیکی ساختار به کار گرفته شود و از سوی دیگر اثرات غیرخطی برای هدایت دقیق‌تر پاسخ نوری فعال شوند. این رویکرد می‌تواند زمینه‌ساز توسعه نسل جدیدی از ابزارهای فوتونیکی هوشمند، پرسرعت و کاملا قابل کنترل باشد.