اختراق علمي في الأسطح الخارقة الكمية يغلق فجوة إشعاع تيراهيرتز أخيراً

لطالما شكّل رصد إشعاع تيراهيرتز عقبة معقدة في عالم الفيزياء، حيث تطلب الأمر معدات ضخمة ومكلفة وتبريداً شديداً لالتقاط الإشارات الواقعة بين موجات الميكروويف والأشعة تحت الحمراء. والآن، نجح باحثون في ابتكار كاشف كمي مدمج يعتمد على الأسطح الخارقة لالتقاط هذه الترددات المراوغة بكفاءة غير مسبوقة. ومن خلال دمج فيزياء الكم مع تصميم هندسي دقيق للأسطح الخارقة، يحقق الجهاز الجديد تحسناً بمقدار 20 ضعفاً في الكفاءة الكمية، مما يمهد الطريق لشبكات الجيل القادم اللاسلكية وتقنيات التصوير الطبي المتقدمة.

يعتمد هذا الاختراق العلمي، الذي نُشر مؤخراً في مجلة Advanced Photonics، على ظاهرة التأثير الكهروضوئي في المستوى (in-plane photoelectric effect). حيث تنقل فوتونات تيراهيرتز الواردة طاقتها إلى إلكترونات محتجزة داخل غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد. وتعبر هذه الإلكترونات المحفزة خطوة جهد مصممة بعناية لإنتاج تيار كهربائي قابل للقياس. وعلى عكس الكواشف التقليدية، لا تتطلب هذه الآلية أن تتجاوز الفوتونات حداً أدنى من الطاقة، مما يتجاوز العديد من قيود الكفاءة التي أعاقت التقاط إشعاع تيراهيرتز تاريخياً.

لزيادة قدرة التقاط الإشارات إلى أقصى حد، صمم فريق البحث الكاشف حول سطح خارق، وهو هيكل منقوش يركز الطاقة الكهرومغناطيسية في مناطق مجهرية. ويستخدم الجهاز نمطاً متكرراً يشبه البناء بالطوب لتوجيه الإشعاع الوارد إلى فجوات سعوية ضيقة. وتم دمج عناصر الكشف الكهروضوئية (PETS) الفردية مباشرة داخل هذه الفجوات حيث يكون المجال الكهربائي في أقوى حالاته.

وأوضح الباحث Wladislaw Michailow، الذي قاد البحث في جامعة Cambridge وجامعة Swansea، أنه "مقارنة بالنهج التقليدي المتمثل في توصيل أجهزة متعددة على التوازي، سمح لنا هذا النهج بتعزيز حساسية الكشف بشكل كبير". ومن خلال الربط الإلكتروني لعناصر الكشف الموزعة، تمكن الباحثون من دمج مخرجاتها في إشارة إجمالية قوية دون الاعتماد على بصريات خارجية أو مصفوفات معقدة.

أثناء الاختبار، قام الباحثون بتبريد الجهاز إلى 10 كلفن وعرّضوه لإشعاع يقارب 1.9 تيراهيرتز. وقدم الكاشف التجريبي استجابة كهربائية واضحة، محققاً استجابة تبلغ 2.7 أمبير لكل واط وكفاءة كمية خارجية بنسبة 2.1%. ويمثل هذا تحسناً بمقدار 20 ضعفاً مقارنة بكواشف الكهروضوئية السابقة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى قدرة السطح الخارق على تركيز الإشعاع مباشرة في المناطق النشطة.

والأهم من ذلك، أن النظام يعمل دون انحياز بين المصدر والمصرف. وأشارت الباحثة Ruqiao Xia، المؤلفة الأولى للدراسة من مختبر Cavendish، إلى أن "الأجهزة عبارة عن كواشف مباشرة تعمل دون انحياز، وبالتالي فهي تعمل دون تيارات مظلمة". ونظراً لتصنيعه باستخدام تقنيات أشباه الموصلات القياسية المشابهة لتلك المستخدمة في ترانزستورات التأثير الميداني، يلغي التصميم الحاجة إلى مكونات تركيز خارجية مثل عدسات السيليكون، مما يجعل التصنيع واسع النطاق أمراً عملياً للغاية.

تكمن الأهمية الحقيقية لهذا الكاشف الكمي في توافقه مع عمليات التصنيع القياسية. تاريخياً، اقتصرت تقنية تيراهيرتز على المنشآت الضخمة والمتخصصة، مثل ماسحات أمن المطارات أو المراصد الفلكية المتقدمة، بسبب الحاجة إلى التبريد بالهيليوم السائل والمحاذاة البصرية المعقدة. ومن خلال دمج نظام جمع الضوء مباشرة في شريحة مسطحة متوافقة مع أشباه الموصلات، يزيل هذا البحث فعلياً الحواجز المادية الأساسية أمام التوسع التجاري.

يُعد هذا التحول المعماري المحفز الدقيق المطلوب لنقل تطبيقات تيراهيرتز خارج المختبرات. ولأن التصميم يمكن أن يعمل في درجات حرارة يمكن تحقيقها باستخدام مبردات مدمجة، فإنه يسد الفجوة بين معدات المختبرات شديدة الحساسية والأجهزة التجارية التي تعمل في درجة حرارة الغرفة. وفي المستقبل القريب، يمكن لهذه الهندسة القابلة للتطوير أن تتيح تصغير ماسحات تيراهيرتز إلى أجهزة طبية محمولة للكشف غير الجراحي عن سرطان الجلد، أو أن تعمل كبنية أساسية لأجهزة الاستقبال في شبكات الجيل السادس (6G) فائقة النطاق.