البلازما و الكهرومغناطيسية

[فيزيائي مفعم]

افتتح هذه النافذة للبحث و جمع المعلومات حول البلازما و علاقتها بالمجالات الكهرمغناطيسية فلكل من وجد مقالا لعالم فيزيائي يخص هذه العلاقة فلينقله هنا في هذه النافذة فإن كان بلغة الفرنسية فليبعثه الي لاقوم بترجمته و ان كان باللغة الانجليزية فليحاول البحث عن تراجم له و لن اقبل اي مقال حتى اراجعه لاضمن ان المعلومات فيزيائية صحيحة لا عشوائية لفيزيائي هاو
................................... ................................... ................................... ................
اول هذه المقالات هي

الپلازمونيات ميدانٌ علميٌّ واعد^(*)
تقانةٌ تضغط الموجات الكهرمغنطيسية في بنيً دقيقة
قد تفضي إلى ظهور جيلٍ جديد من الشيپات الحاسوبية
الفائقة السرعة والكاشفات الجزيئية الفائقة الحساسية.
<A.H.أتووتر>



الضوء وسط ممتاز لنقل المعلومات.

بات استعمال الألياف الضوئية واسعَ الانتشار في جميع أنحاء العالم؛ فهي تتميَّز بالقدرة على توجيه الإشارات الضوئية التي تحمل دفقاتٍ ضخمة من الاتصالات الصوتية، وكمّا هائلا من البيانات. وقد حملت هذه القدرةُ الكبيرةُ نفرا من الباحثين على التنبُّؤ بأن التجهيزات الفوتونية ـ التي تنقل الضوءَ المرئي والموجاتَ الكهرمغنطيسية الأخرى وتعالجها ـ قد تحلُّ في يوم ما، محلَّ الدارات الإلكترونية في المعالجات الميكروية (الصِّغرية) وغيرها من الشيبّات الحاسوبية. ومن المؤسف أن يكون حجمُ التجهيزات الفوتونية وأداؤها مقيَّدَيْن بحدّ انعراج الضوء؛ إذ يتعيَّن، بسبب التداخل بين الموجات الضوئية المتقاربة، ألاّ يقلَّ عرضُ الليف الضوئي الحامل لها عن نصف طول موجة الضوء داخل المادة. وفي حالة الإشارات الضوئية المعتمدة على الشيپات والتي غالبا ما تستعمل أطوالا موجيَّة قريبة من تحت الحمراء تناهز 15000 نانومتر (أجزاء البليون من المتر)، فإن العرضَ في حدِّه الأدنى أكبر بكثير من أصغر التجهيزات الإلكترونية المستعملة حاليا. وعلى سبيل المثال فإن بعض الترانزستورات في الدارات المتكاملة السيليكونية تستعمل مقوِّمات بقياس أصغر من 100 نانومتر.

نظرة إجمالية/ الپلازمونيات(**) اكتشفَ الباحثون أن بإمكانهم ضغط الإشارات الضوئية في أسلاكٍ دقيقة باستعمال الضوء، لتوليد موجات كثافة إلكترونية تسمى «پلازمونات» plasmons. ربما تساعد الداراتُ الپلازمونية مصمِّمي الشيپات الحاسوبية على صنع وصلاتٍ بينية قادرة على نقل مقاديرَ كبيرة من البيانات عبر شيپة. كذلك قد تحسِّن المكوِّناتُ الپلازمونيةُ قدرةَ المَيْز(1) في المعالجات الميكروية (الصِّغرية)، وفاعليةَ الدايودات الباعثة للضوء(2)، وحساسيةَ أجهزة الكشف الكيميائي والبيولوجي (الحيوي). لقد ذهبَ بعضُ الباحثين حتى إلى الاعتقاد بقدرة المواد الپلازمونية على تغيير طبيعة الحقل الكهرمغنطيسي المحيط بجسمٍ ما إلى درجة تجعل هذا الجسم غير مرئي.

على أن العلماء يعكفون، منذ عهدٍ قريب، على دراسة جدوى تقنية جديدة لبثّ الإشارات الضوئية عبر بنيً دقيقة نانوية القياس. فقد أكَّدت تجارب الباحثين في ثمانينات القرن الماضي، أن توجيه الموجات الضوئية إلى واجهة الترابط بين معدنٍ وعازل (مادة غير موصلة، كالهواء أو الزجاج) يمكن أن يحرِّض تآثرا طنينيا بين الموجات والإلكترونات المتحركة على سطح المعدن إذا توفرت الظروف الملائمة. (في حالة استعمال معدن موصل، لا تكون الإلكترونات شديدةَ الارتباط بالذرات أو الجزيئات المنفردة.) وبعبارة أخرى، فإن ذبذبات الإلكترونات عند السطح تطابِق ذبذباتِ الحقل الكهرمغنطيسي خارج المعدن. وينجم عن ذلك تولُّد پلازمونات سطحية surfaceplasmons، وهي موجات كثافة الإلكترونات المنتشرة على امتداد الواجهة (السطح البيني) بما يشبه التموُّجاتِ الدائريةَ المتتابعةَ التي تنتشر على سطح ماء بركة عند رمي حجرٍ فيها.

وعلى مدى العقد الماضي، وجد الباحثون أن بإمكانهم، عن طريق تصميم واجهة المعدنالعازل****l-dielectric interface تصميما إبداعيا، توليد پلازمونات سطحية لها تردُّد الموجات الكهرمغنطيسية الخارجية نفسُه، ولكن بطولٍ موجيٍّ أقصر بكثير. وتتيح هذه الظاهرةُ انتقال الپلازمونات على أسلاك نانوية القياس تسمى الوصلات البينيةinterconnects ، حاملة المعلومات من جزء من المعالِج الميكروي إلى جزء آخر منه. وقد تمثِّلُ الوصلاتُ البينية الپلازمونية نعمة كبرى لمصمِّمي الشيپات، الذين صاروا قادرين على صنع ترانزستورات أصغر حجما وأسرع أداء من أي وقت مضى، غير أنهم يعانون الآن صعوبة أكبر في إنشاء داراتٍ إلكترونية دقيقة تستطيع نقل البيانات بسرعة عبر الشيپة.

[IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image002.jpg[/IMG]

قد يولِّد اصطدامُ حزمة ضوئية بسطحٍ معدنيٍّ موجات من الكثافة الإلكترونية تسمى «پلازمونات»، بإمكانها أن تنقل كمياتٍ كبيرة من البيانات. فإذا وُجِّهت الحزمةُ إلى سطحٍ حُفِرَ عليه ثلمٌ دائري، كما في هذا الشكل التمثيلي، وَلَّدت موجات متَّحدةَ المركز، مرتِّبة الإلكترونات في حلقاتٍ متناسقة ذات كثافة عالية ومنخفضة.

وفي عام 2000 أطلق فريقُ العمل الذي أنتمي إليه في معهد كاليفورنيا للتقانة اسم «الپلازمونيات»plasmonics على هذا الميدان العلمي الناشئ، مدركا أن البحث في هذا المضمار قد يؤدي إلى ظهور صنف غير مسبوق من التجهيزات. وربما غدا ممكنا في آخر المطاف استعمالُ المكوِّنات الپلازمونية في مجالاتٍ واسعة من الأدوات، بهدف تحسين قدرة المَيْز⁽¹⁾ resolution في الميكروسكوبات (المجاهر) العلمية، وتعزيز فاعلية الدايودات الباعثة للضوء( light-emitting diodes (LED وحساسية أجهزة الكشف الكيميائية والبيولوجية. ويُذكر أن العلماء يدرسون أيضا بعضَ التطبيقات الطبّية، وذلك بتصميم جُسَيْمات دقيقة يمكنها استعمال ما يسمى خاصّية الامتصاص الرنيني الپلازموني plasmon resonance absorption للقضاء على النُّسُج السرطانية مثلا؛ بل إن بعض الباحثين يفترض نظريا أن بإمكان مواد پلازمونية معيَّنة تغيير طبيعة الحقل الكهرمغنطيسي المحيط بجسم ما، إلى درجة ربما تجعل هذا الجسم غير مرئي. ومع أن هذه التطبيقات المحتملة قد لا تكون جميعها قابلة للتطبيق عمليا، يُقْبِل العلماءُ على دراسة مبحث الپلازمونيات بشغف، لأنهم يرون أن هذا الميدان العلمي الجديد يؤذن بفتح آفاقٍ من شأنها أن تسلِّط الضوء على الجوانب الغامضة من العالَم النانوي.

أطوال موجية متقلِّصة^(***)

منذ آلاف السنين كان الخيميائيون alchemists وصانعو الزجاج يستفيدون، من غير قصد، من الآثار الپلازمونية في صناعة زجاج النوافذ الملوَّن والأقداح الملوَّنة التي تحتوي على جُسَيْمات معدنية في الزجاج. ولعلَّ أبرز مثال على ذلك قدح لايكُرگس⁽³⁾Lycurgus cup ، وهو قدحٌ روماني يعود إلى القرن الرابع الميلادي، وهو حاليا من مقتنيات المتحف البريطاني [انظر الشكل في الصفحة 75]. فعندما تحدث إثارة پلازمونية للإلكترونات في الجسيمات المعدنية العالقة ضمن القالب الزجاجي، يمتصُّ القدح الضوءَ الأزرق والأخضر، الذي يمثِّل الأطوالَ الموجيَّة القصيرةَ نسبيا من الطيف المرئي، وتُبَعْثِرُه. ويضفي التبعثرُ الپلازموني إلى القدح ظلالا لونية ضاربة للخضرة لدى النظر إليها في ضوءٍ منعكس، غير أن الزجاجَ يبدو أحمر اللون إذا وُضِعَ منبعٌ ضوئيٌّ أبيض داخل القدح، لأنه لا يبثُّ في هذه الحالة سوى الأطوال الموجيَّة الطويلة، ويمتصُّ الأطوال الموجيَّة القصيرة.

وقد بدأ البحثُ الجدّي في مضمار الپلازمونات السطحية في ثمانينات القرن الماضي، عندما درسَ الكيميائيونchemist هذه الظاهرة باستعمال طيفيات رامان Raman spectroscopy التي تتضمَّن رصدَ تبعثُر الضوء الليزري عن عيِّنة بغيةَ تحديد بنيتها من الاهتزازات الجزيئية. وفي عام 1989 وجدَ <T.إيبيسن> [من معهد أبحاث شركة نيبون اليابانية]، عندما أضاءَ فيلما film ذهبيا يحمل ملايين الثقوب الميكروسكوبية (المجهرية)، أن هذا الفيلم قد أنفذ كمية من الضوء أكبر مما يُتَوَقَّع من عدد الثقوب وقياساتها. وبعد تسع سنوات خلص <إيبيسن> وزملاؤه إلى أن الپلازمونات السطحية الموجودة على الفيلم كانت تزيد من شدَّة نقل الطاقة الكهرمغنطيسية.

إقحام الضوء في أسلاكٍ دقيقة(****) إن مبحث الپلازمونيات ميدانٌ جديدٌ نسبيا، غير أن الباحثين طوَّروا تجهيزاتٍ أولية تُظهِر المستقبَلَ الواعد لهذه التقانة. [IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image004.jpg[/IMG] دليلٌ موجيٌّ مستوٍ (ذو بُعدين) PLANARWAVEGUIDE تتدفق الپلازمونات دائما على امتداد الحدّ الفاصل بين معدنٍ وعازل (مادة غير موصلة كالهواء أو الزجاج). يلاحَظ مثلا أن تسليط الضوء على ثلمٍ مستقيم في معدن يولِّد پلازمونات تنتشر في المستوي الرقيق عند سطح المعدن (الحدّ الفاصل بين المعدن والهواء). بإمكان الپلازمون أن ينتقل مسافة قد تصل إلى عدة سنتيمترات ضمن هذا الدليل الموجيِّ المستوي ـ وهي مسافة كافية لنقل إشارة من جزءٍ من شيپة إلى جزءٍ آخر منها ـ لكن الموجةَ الكبيرة نسبيا تتداخل مع إشاراتٍ أخرى في الأجزاء الداخلية النانوية القياس من المعالِج. [IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image006.jpg[/IMG] دليلٌ موجيٌّ پلازموني شِقّي PLASMON SLOT WAVEGUIDE صَنَعَ العلماءُ داراتٍ پلازمونية أصغر بكثير، وذلك بوضع العازل في المركز وإحاطته بالمعدن. يضغط الدليلُ الموجيّ الشقِّي الپلازموني الإشارةَ الضوئية مقلِّصا طولها الموجيَّ بعامل 10 أو أكثر. وتمكَّن الباحثون من إنشاء أدلّة موجيَّة شِقِّية بعرض لا يتجاوز 50 نانومترا ـ أي بقياس أصغر الدارات الإلكترونية. تستطيع البنية الپلازمونية حمل كمٍّ من البيانات أكبر بكثير مما يحمله سلكٌ إلكتروني، غير أنها لا تستطيع نقلَ إشارة مسافة تزيد على 100 ميكرون. [IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image007.gif[/IMG] شيپة أسرع A FASTER CHIP بإمكان الأدلَّة الموجيَّة الشِّقِّية slot wave guide أن تزيد سرعةَ الشيپات الحاسوبية زيادة ملحوظة عن طريق توجيه مقادير كبيرة من البيانات إلى الدارات، التي تنفِّذ العمليات المنطقية. في الشكل المجاور إلى اليسار تقوم أدلّةٌ موجيةٌ عازلة كبيرة نسبيا بتوصيل الإشارات الضوئية إلى مصفوفة من المفاتيح الپلازمونية التي توزِّع بدورها الإشاراتِ إلى الترانزستورات الإلكترونية. تتألف المفاتيح الپلازمونية من أدلَّة موجيَّة شِقِّيَّة يصل قطرها إلى 100 نانومتر عند أعرض نقاطها، ولا يتجاوز 20 نانومترا عند نقاط التقاطع (الصورة الجزئية المكبَّرة).

وقد شهدَ مبحثُ الپلازمونيات جانبا آخر من التقدم باكتشاف مواد مرفَّعة ****materials قد تتكشَّف ذبذباتُ الإلكترونات فيها عن خواصَّ ضوئية مذهلة [انظر: «البحث من أجل صنع عدسة فائقة»، مجلة الخليج، العددان 3/2 (2007)، ص 60]. يضاف إلى ذلك صنفان جديدان من الأدوات أسهما أيضا في إحراز تقدُّم متسارع في مجال الپلازمونيات؛ فقد أتاح تنامي القدرة الحاسوبية حديثا للباحثين إجراء عمليات محاكاة صحيحة للحقول الكهرمغنطيسية المعقَّدة المتولِّدة بفعل تأثيرات پلازمونية؛ كما مكَّنَ ظهورُ طرائقَ جديدة لإنشاء بُنيً نانوية القياس من صنع واختبار تجهيزاتٍ وداراتٍ پلازمونية غاية في الصِّغر.

علاج السرطان پلازمونيًّا(*****) [IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image008.gif[/IMG] ثمة علاجٌ مقترَح للسرطان باستعمال الآثار الپلازمونية للقضاء على الأورام. يَحقِن الأطباءُ صدفا نانويا ـ من جُسيماتٍ من السيليكا بقطر 100 نانومتر مطليَّة بطبقة خارجية من الذهب (الصورة الجزئية المكبَّرة) ـ في مجرى الدم. يندسّ الصدف النانوي داخل الورم السريع التنامي، فإذا استُهدفت المنطقةُ بضوءٍ ليزريٍّ مقاربٍ لتحت الأحمر انتقلَ الضوءُ عبر الجلد وأحدثَ ذبذباتٍ إلكترونية رنينيّة في الصدف النانوي، متلفا الخلايا السرطانية بعد تسخينها، دون إلحاق الأذى بالنسج السليمة المحيطة.

وقد يبدو لأول وهلة أن استعمال البُنى المعدنية لبثّ الإشارات الضوئية غيرُ عملي، لأن المعادن معروفةٌ بارتفاع نسبة فقدها الضوئي، إذ إن الإلكترونات المتذبذبة في المجال الكهرمغنطيسي تصطدم بشبكة الذرّات المحيطة، وسرعان ما تبدِّد طاقةَ ذلك المجال. غير أن نسبَ الفَقْد الپلازموني تكون أدنى عند الحدّ الفاصل بين فيلم معدني رقيق وعازل أدنى منها في داخل جملة معدنية، لأن المجال الكهرمغنطيسي ينتشر في داخل المادة غير الموصلة، حيث لا وجود لإلكتروناتٍ حرَّة متذبذبة، ومن ثم لا وجود لتصادماتٍ تُبَدِّد الطاقة. ومن شأن هذه الخاصية بطبيعتها أن تحصر الپلازمونات على السطح المعدني المتاخم للعازل؛ ففي بنية شطيرية sandwich تحتوي على عازلٍ وطبقاتٍ معدنية مثلا، لا تنتشر الپلازمونات السطحية إلا في السطح الرقيق عند الواجهة البينية حصرا [انظر الشكل العلوي من المؤطَّر في الصفحة المقابلة].

ولما كانت هذه البُنى الپلازمونية المستوية بمثابة أدلَّة موجيَّة waveguides توجِّه الموجات الكهرمغنطيسية على امتداد الحدّ الفاصل بين المعدن والعازل، فإنها قد تكون مفيدة في نقل إشارات على شيپة. ومع أن الإشارة الضوئية تتكبَّد نسبةَ فَقْد أعلى في معدن منها في عازل كالزجاج، فقد ينتقل الپلازمون في دليل موجيٍّ رقيق الغشاء مسافةَ سنتيمترات قبل أن يختفي. ويمكن رفع طول الانتشار إلى حدِّه الأعظمي إذا ما اتَّخذ الدليلُ الموجيُّ نمطا لاتناظريا يدفع جزءا كبيرا من الطاقة الكهرمغنطيسية بعيدا عن الغشاء المعدني الدليل، إلى داخل العازل المحيط، وبذلك تنخفض نسبةُ الفقد. وبسبب تآثر الحقول الكهرمغنطيسية عند السطحين العلوي والسفلي للغشاء المعدني، فإن بالإمكان تعديل تردُّدات الپلازمونات وأطوالها الموجيّة بتغيير سُمك الغشاء نفسه. ويجدر بالذكر أنه في عقد التسعينات من القرن الماضي استحدثت مجموعاتُ بحثٍ يرأسها <S.بوزيفولني> [من جامعة آلبورگ في الدنمارك] و <P.بيريني>[من جامعة أوتاوا] مكوِّنات پلازمونية مستوية ذات قدرة على أداء كثير من الوظائف (من قبيل شطر الموجات الموجَّهة) التي تؤديها عادة تجهيزات مصنوعة جميعها من مواد عازلة فقط. وربما تُثْبِت هذه البُنى فاعليتَها في نقل البيانات من جزء من شيپة إلى جزء آخر منها، غير أن الحقول الكهرمغنطيسية الملازمة للپلازمونات أوسع بكثير من أن تنقل إشارات عبر الأجزاء الداخلية النانوية القياس من المعالج.

ولتوليد پلازمونات قادرة على الانتشار عبر أسلاك نانوية القياس، تحرّى الباحثون أنماطا هندسية أكثر تعقيدا للأدلّة الموجيَّة، بإمكانها تقليص الطول الموجيّ للإشارة عن طريق إقحامها في حيِّز ضيِّق. ففي أواخر تسعينات القرن الماضي انطلقت المجموعةُ المختبرية التي أعمل فيها شخصيا، على التوازي مع فريق بحث يرأسه <J.كرين> [من جامعة گراز النمساوية] في مسعى لتوليد هذه الأدلَّة الموجيّة «دون الطول الموجي» ذات الپلازمونات السطحية. وقد تمكَّن <S.ماير> [عندما كان يعمل معي في مختبرات كالتك] من إنشاء بنية تتألف من سلاسل خطِّية نقطية من الذهب لا يتعدّى قطرُ كلٍّ منها 100 نانومتر، إذ أحدثت حزمة مرئية يبلغ طولُها الموجيّ 570 نانومترا ذبذبات طنينية في النقاط، مولِّدة پلازموناتٍ سطحية انتقلت على طول السلاسل واقتصرت على مسارٍ مسطَّح لا يتجاوز ارتفاعه 75 نانومترا. كذلك توصلت مجموعةُ جامعة گراز إلى نتائج مشابهة، وصوَّرت أنماطَ الپلازمونات المنتقلة على امتداد السلاسل. على أن معدَّلات فَقْد الأسلاك النانوية الناجمة عن الامتصاص كانت عالية نسبيا، فتسبَّبَ ذلك في اختفاء الإشارة بعد انتقالها مسافة تراوح بين عدة مئات النانومترات وبضعة ميكرونات (أجزاء المليون من المتر). وهكذا ثبتَ أن الأدلّة الموجيَّة لا تصلح إلا للتوصيلات البينية ذات المدى القصير جدا.

ومن حسن الحظ أن بالإمكان تخفيض معدَّلات الفقد الناجمة عن الامتصاص إلى حدودها الدنيا عن طريق قلب وضع الأدلّة الموجيّة الپلازمونية، بحيث يوضع العازل في المركز محاطا بالمعدن [انظر الشكل الأوسط من المؤطَّر في الصفحة 72]، يلاحَظ في هذه التجهيزة ـ التي تسمى الدليل الموجيّ الشقّي الپلازموني plasmon slotwaveguide ـ أن تعديل سُمك المركز العازل يغيِّر من الطول الموجيّ للپلازمونات. وقد برهن المختبر الذي أعمل فيه [في كالتك] وكذلك مجموعة <M.برونگرزما> [التابعة لجامعة ستانفورد]، على أن الأدلَّة الموجيَّة الشقِّيَّة الپلازمونية قادرةٌ على نقل إشارة ما مسافة قد تبلغ عشرات الميكرونات. ويُذكر في هذا السياق أن <H.ميازاكي> [من المعهد الوطني لعلم المواد في اليابان] قد أحرز نتيجة باهرة عندما نجح في إقحام ضوءٍ أحمر (ذي طولٍ موجيّ يبلغ 651 نانومترا في الفضاء الحرّ) ضمن دليلٍ موجيٍّ شقّي پلازموني لا يتجاوز سُمكه 3 نانومترات وعرضه 55نانومترا. ووَجد الباحثون أن طول موجة الپلازمون السطحي المنتشر في أنحاء التجهيزة بلغ 51 نانومترا، أو نحو 8في المئة من طول موجة الفضاء الحرّ.

تنتشر الپلازمونات بما يشبه التموُّجات الدائرية المتلاحقة التي تتوسَّع على سطح بركة عند رمي حجر في الماء.

ومن ثم صار بإمكان ميدان الپلازمونيات توليد إشاراتٍ في مجال الأطوال الموجيّة الخاصة بالأشعة السينية الضعيفة النفاذية (الواقعة بين 10 و 100 نانومتر)، وذلك بإثارة المواد باستعمال الضوء المرئي. ويمكن هنا تخفيض طول الموجة بما يزيد على عامل 10 بالنسبة إلى قيمته في الفضاء الحرّ، مع بقاء تردُّد الإشارة كما هو. (تبقى العلاقةُ الأساسية بين القيمتين ـ التردُّد مضروبا في طول الموجة يساوي سرعة الضوء ـ مصونة لأن الموجات الكهرمغنطيسية تتباطأ في أثناء تحرُّكها على طول الحدّ الفاصل بين المعدن والعازل). ومن شأن هذه القدرة اللافتة على تقليص الطول الموجيّ أن تفتح الطريقَ أمام البُنى الپلازمونية النانوية القياس، التي يمكنها أن تحلَّ فقط محلَّ الدارات الإلكترونية المحتوية في مكوِّناتها على أسلاك وترانزستورات.

وكما أن الطباعةَ الحجرية⁽⁴⁾ تُستعمَل حاليا في طبع نماذج الدارات على الشيپات السيليكونية، فإن من الممكن بعملية مشابهة إنتاج تجهيزاتٍ پلازمونية دقيقة على نطاقٍ واسع، تتميَّز بأنساق من الخطوط والفجوات العازلة الضيّقة التي توجِّه الموجات ذات الشحنتين الموجبة والسالبة على سطح المعدن، علما بأن كثافات الشحنة المتناوبة تكون شبيهة جدا بالتيار المتناوب المارِّ في سلكٍ عادي. ولكن لما كان تردُّد الإشارة الضوئية أعلى بكثيرٍ من تردُّد الإشارة الكهربائية ـ جيگاهرتز أو يزيد مقابل 60 هرتز ـ فإن الدارة الپلازمونية تستطيع حمل كمٍّ أكبر بكثيرٍ من البيانات. كذلك، وبسبب أن الشحنةَ الكهربائية لا تنتقل من طرف دارة پلازمونية إلى طرفٍ آخر منها ـ إذ تتجمَّع الإلكترونات وتتوزَّع كلاًّ على حدة بدلا من أن تتدفق في اتجاه واحد ـ فإن التجهيزة ليست خاضعة لتأثيرات المقاومةresistance والمواسعة capacitance، التي تحدُّ من قدرة الدارات المتكاملة المزوَّدة بوصلاتٍ بينيَّة كهربائية على نقل البيانات.

وقد تكون الداراتُ الپلازمونية أكبر سرعة وأجدى نفعا لو استطاع الباحثون استنباط مفتاحٍ «پلازموني» ـ وهو تجهيزةٌ پلازمونية ثلاثية الأطراف ذات خصائص شبيهة بالترانزستور. وفي الآونة الأخيرة، طَوَّرت المجموعةُ المختبرية التي أعمل معها في كالتك وغيرها من مجموعات البحث، إلى عهد قريب، نماذجَ منخفضة القدرة من هذا المفتاح. فإذا نجح العلماء في إنتاج مفاتيحَ پلازمونية أعلى أداءً، فربما شكّل ذلك أساسا لمنظومة فائقة السرعة لمعالجة الإشارات تكون بمنزلة فتحٍ مبينٍ في مضمار الحوسبة في غضون 10 إلى 20 سنة من الآن.

صدف نانوي وأقنعة تَخَفٍّ^(******)

على أن الاستعمالات المحتملة للتجهيزات الپلازمونية لا تقتصر على مجال الحاسوب، بل تتجاوزه كثيرا؛ فقد استحدثت <N.هالاس> و <P.نوردلاندر> [من جامعة رايس] بِنيً سُمِّيت صدف نانوي nano****ls، تتألف من طبقة رقيقة من الذهب ـ بسُمك نحو 10 نانومترات عادة ـ رُسِّبت حول كامل سطح جُسَيْمٍ من السيليكا يقارب قطره 100 نانومتر. وعند تعريضه للموجات الكهرمغنطيسية تتولَّد ذبذباتٌ إلكترونية داخل الصَّدَفة ****lالذهبية؛ وبسبب التآثر الاقتراني coupling interaction بين الحقول على السطحين الداخلي والخارجي للصَّدَفة، فإن تغيير حجم الجُسَيم وسُمك الطبقة الذهبية يُحدِث بدوره تبدُّلا في الطول الموجيّ الذي يمتصُّ عنده الجسيمُ الطاقةَ محدثا طنينا. وبهذه الطريقة يتمكَّن الباحثون من تصميم صدف نانوي لكي يمتصَّ، بصورة انتقائية، أطوالا موجيَّة قصيرة جدا لا تتجاوز بضع مئات النانومترات (النهاية الزرقاء للطيف المرئي) أو طويلة تقارب 10ميكرونات (اللون القريب من تحت الأحمر).

وقد حوَّلت هذه الظاهرةُ الصدفَ النانويَّ إلى وسيلة واعدة لعلاج السرطان؛ ففي عام 2004 قامت <هالاس>، بالتعاون مع زميلته <J.ويست> [من جامعة رايس أيضا]، بحقن صدف نانوي پلازموني في مجرى الدم لفئرانٍ مصابة بأورام سرطانية، ووجدت أن الجسيمات غير سامة، بل إن الصدف النانوي كان ينزع إلى الاندساس في نسج الفئران السرطانية، لا في نسجها السليمة، بسبب تدفُّق مزيد من الدماء في النواحي الوَرَميَّة السريعة التنامي. (وقد يُربَط الصدف النانويُّ أيضا بالأضداد (الأجسام المضادة) antibodies للتثبُّت من أنها تستهدف المواضع المصابة).

ومن دواعي السرور أن النسجَ البشرية والحيوانية تكون شفافة للإشعاع عند أطوالٍ موجيَّة تحت حمراء معيَّنة. فعندما وُجِّه ضوءٌ ليزريٌّ قريبٌ من تحت الأحمر عبر جلد الفئران إلى الأورام مباشرة، لوحظَ أن الامتصاص الطنيني للطاقة في الصدف النانوي المدسوس قد رفعَ درجةَ حرارة النسج السرطانية من نحو 37 درجة مئوية إلى نحو 45درجة مئوية.

وفي حين قَتَلَ التسخينُ الحراري ـ الضوئي الخلايا السرطانية، بقي النسيجُ السليمُ المحيط دون أن يُمَسَّ بأذى. وفي حين اختفت الأعراضُ السرطانية تماما في الفئران التي عولجت بالصدف النانوي في غضون عشرة أيام، استمرت الأورامُ بالتنامي السريع في مجموعات المراقبة. هذا ويسعى حاليا مختبرُ العلوم البيولوجية الطيفية النانوية [ومقرُّه هيوستن] إلى الحصول على إذنٍ من إدارة الأغذية والعقاقير لإجراء اختباراتٍ سريرية على المداواة بالصدف النانوي لمرضى يعانون سرطاناتٍ في الرأس والعنق.

[IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image010.jpg[/IMG]

[IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image012.jpg[/IMG]

يتغيَّر لون قدح لايكُرگس، وهو قدح روماني يعود إلى القرن الرابع الميلادي، بسبب الاستثارة الپلازمونية للجسيمات المعدنية الموجودة ضمن قالب القدح، فيبدو القدح أحمر اللون لدى وضع منبعٍ ضوئيٍّ داخل هذا القدح الضارب ـ بحالته الطبيعية ـ إلى اللون الأخضر.

كذلك قد تُحْدِث الموادُّ الپلازمونية تغييرا جذريا في صناعة الإنارة، وذلك بجعل الدايودات الباعثة للضوء ساطعة بدرجة تضاهي المصابيح المتوهجة. ومنذ ثمانينات القرن الماضي، أدرك الباحثون أن الأثر الپلازموني اللافت للمجال الضوئي عند الحدود الفاصلة بين المعدن والعازل يمكن أن يزيد من معدَّل إصدار الأصبغة اللامعة الموضوعة قريبا من سطح المعدن. وصار من الواضح، إلى عهد قريب، أن هذا النوع من التعزيز المجالي يمكنه أن يرفع إلى حدٍّ بعيد معدَّلاتِ إصدار النقط الكمومية quantum dots والمنابع الكمومية quantum wells، وهي بنى شبه موصلة صغيرةٌ جدا تَمتصُّ الضوءَ وتُطلِقه ـ وبذلك يزيد من فعالية الدايودات الضوئية الصلبة. وفي عام2004 برهن زميلي في مختبرات كالتك <A.شيرر>، بمشاركة زملاء من شركة نيكيا اليابانية، أن طليَ سطحِ دايودٍ باعث للضوء من نتريد الگاليوم بطبقاتٍ كثيفة من جسيماتٍ نانوية پلازمونية (مصنوعة من الفضة أو الذهب أو الألمنيوم) قد يزيد من شدة الضوء المنبعث 14 ضعفا.

ثم إن الجُسَيْمات النانوية الپلازمونية قد تمكِّن الباحثين من صنع دايوداتٍ ضوئية من السيليكون، ومثل هذه الأدوات أرخص تكلفة بكثير من الدايودات الضوئية التقليدية المصنوعة من نتريد الگاليوم أو زرنيخيد الگاليوم، ومع ذلك فهي مستبعَدة حاليا بسبب انخفاض معدَّلات إصدارها الضوئي. وقد أثبتت مجموعةُ العمل التي أنتمي إليها في كالتك، بالتعاون مع فريقٍ آخر يرأسه <A.بولمان> [من معهد FOM للفيزياء الذريّة والجزيئيّة في هولندا] أن اقتران بنيً نانوية پلازمونية مصنوعة من الفضة أو الذهب بمصفوفاتٍ كمومية نقطية مصنوعة من السيليكون قد يضاعف إصدارَها الضوئي 10 مرات. يضاف إلى ذلك إمكان توليف تردُّد الإصدارات المعزَّزة عن طريق تعديل أبعاد الجسيمات النانوية. وتشير حساباتنا إلى أن التوليف الدقيق لتردُّد الطنين الپلازموني، والتحكُّم المتقن في الفصل بين الجسيمات المعدنية والمواد شبه الموصلة، ربما مكَّنانا من رفع المعدَّلات الإشعاعية بما يزيد على 100 ضعف، وبذلك تصير الدايودات الضوئية السيليكونية قادرة على الإضاءة بدرجة من التألُّق تضاهي المصابيح التقليدية.

حتى إن العلماء منصرفون حاليا إلى ابتداع نظير پلازمونيٍّ للّيزر. فقد أعطى كلٌّ من <A.ستوكمان> [من جامعة ولاية جورجيا] و<D.بيرگمان> [من جامعة تل أبيب] توصيفا لفيزياء مثل هذه التجهيزة التي أطلقا عليها اسم سپيزر SPASER (مختصر: تضخيم الپلازمون السطحي بابتعاث الإشعاع المستَحَثّ)⁽⁵⁾. ومع أن وجود السپيزر وجودٌ نظريٌّ حتى الآن، فإن الباحثين يطرحون طرائق لتصنيعه باستعمال نُقَط كمومية شبه موصلة وجُسَيْماتٍ معدنية، بحيث يجري تحويل الطاقة النسبية الناشئة عن النقط الكمومية إلى پلازمونات تخضع بعد ذلك للتضخيم في مرنانٍ پلازموني. ولما كانت الپلازمونات المتولِّدة من السپيزر أكثرَ إحكاما من الحزمة الليزرية التقليدية، فإن بإمكان هذه الأداة أن تعمل بقدرة منخفضة جدا، وأن تستثير أجساما صغيرة جدا بصورة انتقائية. ونتيجة لذلك يُنتَظَر أن تكون السپيزرات قادرة على أن تجعل الدراسات الطيفية أكثر دقَّة، وأن تمهِّد السبيل لأدوات الكشف عن المواد الخطرة في تعرُّف مقادير صغيرة جدا من المواد الكيميائية أو الکيروسات.

كيف قد يمكن لتجهيزة تخفٍ أن تعمل(*******) [IMG]file:///C:\Users\POSTE12\AppData\Local\Temp \msohtmlclip1\01\clip_image014.jpg[/IMG] ذهب الباحثون إلى الاعتقاد ـ نظريا ـ بأن للمواد الپلازمونية القدرة على جعل الأجسام غير مرئية. وفي أحد الاقتراحات تكون تجهيزة التخفّي مؤلَّفة من صَدَفَة ثخينة من المواد المرفَّعة(6) ، ذات خصائص ضوئية استثنائية. تستطيع هذه الصَّدَفَة حني الإشعاع الكهرمغنطيسي حول تجويفها المركزي الذي يمكن أن يخفي مركبة فضائية. فلو صُوِّبَ مقرابٌ فضائيٌّ إلى الصَّدَفَة فلن يكشف سوى المجرَّة من خلفها.

ولعلَّ من أطرف التطبيقات المفترَضة للپلازمونيات ابتكار قناعٍ للتخفّي. ففي عام 1897 نَشَرَ الروائي الإنكليزي<G.H.ويِلْز> قصة «الرجل الخفي» The Invisible Man التي تحكي تجربة عالِمٍ شابٍّ يكتشف كيف يجعل مُعامِلَ الانكسار refractive index لجسده مساويا لمعامِل انكسار الهواء، فصار الرجلُ غيرَ مرئي. (مُعامِل انكسار المادة يمثِّل نسبةَ سرعة الضوء في الخواء إلى سرعته في المادة). فإذا استُثيرت بنيةٌ پلازمونية بإشعاعٍ يقارب قيمةَ تردُّدها الرنيني، فذلك جدير بأن يجعل مُعامِلَ انكسارها مساويا لمعامل انكسار الهواء، أي إنها عادت لا تكسر الضوءَ ولا تعكسه. وغدا بإمكان البنية امتصاص الضوء، غير أنها لو طُلِيَتْ بمادة تولِّد كسبا ضوئيا optical gain ـ أي تُضَخِّم الإشارةَ المبثوثة تماما كما يفعل المرنانُ في السپيزر ـ لتعادلت الزيادةُ في الشِّدَّة مع نسب الفَقْد بالامتصاص، ولصارت البنيةُ غيرَ مرئية، على الأقل باستعمال الإشعاع في مجالٍ مختارٍ من التردُّدات.

على أن قناعَ التخفّي الحقيقيَّ يجب أن يكون قادرا على حجب كلِّ ما هو موجود ضمن البنية، وأن يعمل بفاعلية عند مختلف تردُّدات الضوء المرئي. ولاشك أن ابتداع مثل هذه الأداة سيكون أكثر صعوبة، ومع ذلك يرى بعضُ الفيزيائيين أنه غير متعذر. ففي عام 2006 برهن <B.J.بندري> [من كلية إمپيريال الجامعية، لندن] وزملاؤه على أن بإمكان صَدَفة من المواد المرفَّعة⁽⁶⁾ أن تغيِّر ـ نظريا ـ مسارَ الموجات الكهرمغنطيسية المرتحلة عبرها، بحيث تنحرف هذه الموجات لتدور حول منطقة كروية في داخل الصَّدَفة [انظر المؤطر في أعلى هذه الصفحة].

صحيحٌ أن رَجُلَ ويِلْز الخفيَّ قد لا يُكتَب له أن يصبح حقيقة واقعة على الإطلاق، غير أن مثل هذه الأفكار خليقةٌ فعلا بأن تصوِّر كم هي غنيَّةٌ تلك الخصائص الضوئية التي تلهم الباحثين في مضمار الپلازمونيات، وتمكِّنهم ـ عن طريق دراسة التآثر المعقَّد والمحكَم بين الموجات الكهرمغنطيسية والإلكترونات الحرَّة ـ من تعرُّف طرائقَ جديدة محتملَة لنقل البيانات في داراتنا المتكاملة وإضاءة منازلنا ومكافحة مرض السرطان. ولعلَّ الدراساتِ المستقبليةَ المتعمِّقةَ في هذه الظواهر الپلازمونية المثيرة تَعِدُ بمزيدٍ من الاكتشافات والاختراعات المهمة في هذه السبيل.

---

المؤلف

Harry A. Atwater

أستاذ في جامعة هوارد هيوز وأستاذ الفيزياء التطبيقية وعلم المواد في معهد كاليفورنيا للتقانة. تتركز اهتماماته البحثية على التجهيزات الفوتونية فيما دون الطول الموجي subwave length-scale photonic devices للحوسبة وتطبيقات التصوير الفيزيائي والطاقة المتجددة. يعكف مع فريق عمله على استنباط بنيً نانوية پلازمونية، إضافة إلى دراسة استعمال مواد جديدة لتوليد الطاقة الشمسية وتوليد أنواع الوقود الكيميائي بالطاقة الشمسية.