علماء يبتكرون سكايرميونات بصرية لحوسبة المستقبل باستخدام خدعة ضوئية عمرها 200 عام

تجاوز العلماء الحاجة إلى المواد الخارقة باهظة الثمن لإنشاء سكايرميونات بصرية (Optical skyrmions)، مما يفتح الباب أمام طريقة أبسط لتطوير تقنيات الحوسبة وتخزين البيانات المستقبلية. ومن خلال توجيه شعاع ليزر نحو قرص دائري بسيط، نجح باحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU Singapore) في توليد هذه الهياكل الضوئية المعقدة بالاعتماد على ظاهرة بصرية تعود إلى 200 عام تُعرف باسم بقعة بواسون (Poisson spot).

وتُعد السكايرميونات البصرية تشكيلات دقيقة ومستقرة تتميز بأنماط دوامية في خصائص الضوء، وتُشبه غالباً الأشواك البارزة للقنفذ. ونظراً لاستقرارها وخصائصها الطوبولوجية الفريدة، تحظى هذه الهياكل باهتمام بحثي واسع لقدرتها على نقل وتخزين كميات هائلة من المعلومات في أنظمة الضوئيات المستقبلية. وفي السابق، كان توليدها يتطلب مواد خارقة مصممة هندسياً على المستوى المجهري، مما حصر دراستها في مختبرات متخصصة للغاية.

الأمر اللافت هو أنه يمكن الآن توليد السكايرميونات البصرية باستخدام تأثير بسيط ينحني فيه الضوء حول جسم ما، دون الاعتماد على مواد خارقة معقدة ومكلفة من صنع الإنسان أو تقنيات متخصصة للغاية.

- شين ييجي، أستاذ مساعد، جامعة NTU Singapore

وتعتمد هذه التقنية على بقعة بواسون، وهي نقطة مضيئة تظهر في مركز الظل عندما يُضاء جسم دائري بمصدر ضوء متماسك. ورغم أن هذا التأثير كان بمثابة دليل تاريخي في القرن التاسع عشر لإثبات السلوك الموجي للضوء عبر حيود الضوء، فقد أُعيد توظيفه اليوم كأداة حديثة في مجال الضوئيات الطوبولوجية.

اكتشف فريق جامعة NTU Singapore أن نظام بقعة بواسون الخاص بهم يمكنه توليد أربعة أنماط طوبولوجية مختلفة في وقت واحد داخل بقعة ضوئية واحدة. وتتيح هذه الخاصية للباحثين مراقبة كيفية تفاعل مكونات الضوء المختلفة وتشكيلها لهياكل تحت ظروف متطابقة.

وتشمل الأنماط المُولّدة ما يلي:

• سكايرميونات الدوران (Spin skyrmions): وتُدفع بالخصائص الشبيهة بالدوران في الحقل الضوئي.
• سكايرميونات ستوكس (Stokes skyrmions): وتُحدد بواسطة الاستقطاب، أي الاتجاه الدقيق الذي تهتز فيه موجات الضوء.
• سكايرميونات المجال الكهربائي (Electric-field skyrmions): وتتشكل من خلال الترتيب الطوبولوجي للمتجهات الكهربائية.
• سكايرميونات المجال المغناطيسي (Magnetic-field skyrmions): وتُنشأ بواسطة المتجهات المغناطيسية المقابلة داخل الموجة الكهرومغناطيسية.

تكمن الأهمية الحقيقية لاختراق جامعة NTU Singapore في قدرته على إتاحة أبحاث الحوسبة البصرية على نطاق أوسع. فمن خلال استبدال متطلبات التصنيع النانوي المعقدة بليزر قياسي وقرص دائري، انخفضت الحواجز التقنية لدراسة الضوء الطوبولوجي بشكل جذري. ويعني هذا أن مختبرات البصريات الجامعية العادية حول العالم يمكنها الآن إجراء تجارب على السكايرميونات البصرية، مما قد يُسرّع من الجدول الزمني لتطوير تقنيات تخزين البيانات المعتمدة على الضوء.

علاوة على ذلك، توفر القدرة على توليد أربعة أنواع مختلفة من السكايرميونات في وقت واحد بيئة اختبار مثالية لدراسة التفاعلات الطوبولوجية متعددة المتجهات. ومع اقتراب صناعة التقنية من الحدود الفيزيائية لترانزستورات السيليكون التقليدية، أصبح الانتقال من المعالجة القائمة على الإلكترونات إلى الضوئيات أمراً بالغ الأهمية. وستكون الأساليب الميسرة للتحكم في الهياكل الضوئية المستقرة بمثابة حجر الأساس لبناء المعالجات البصرية في العقد المقبل.