تطوير أقوى ليزر صوتي تم صنعه على الإطلاق!

أقوى ليزر صوتي

لقد حقق العلماء قفزة كبيرة إلى الأمام في تطوير أقوى ليزر صوتي تم صنعه على الإطلاق، وكانت الآثار المترتبة على ذلك واسعة النطاق.

في قلب هذا الإنجاز يوجد فريق من الباحثين الذين وجدوا طريقة لتعزيز قوة ودقة الموجات الصوتية التي تنتجها ليزر الفونون (phonon laser) بشكل كبير. لقد تغلب هذا الإنجاز على عقبة كبيرة كانت تحد في السابق من فائدة هذه الأجهزة. ومن خلال “قفل” الموجات الصوتية بشكل أساسي في حالة أكثر استقرارًا وقوة، مهد الباحثون الطريق للأجهزة المستقبلية التي يمكنها استخدام الصوت لمجموعة واسعة من التطبيقات.

محتويات المقال :

العالم الخفي للموجات الصوتية

الموجات الصوتية هي سلسلة من الضغطات والتخلخلات (التمددات) التي تنتقل عبر وسط، مثل الهواء أو الماء. عندما يهتز جسم ما، فإنه يحدث اضطرابًا في جزيئات الهواء المحيطة به، مما يؤدي إلى تأرجحها ذهابًا وإيابًا. تحمل هذه التذبذبات أو الموجات الطاقة عبر الهواء حتى تصل إلى طبلة الأذن، والتي تفسرها على أنها صوت.

إن المذهل في الموجات الصوتية هو مداها. حيث يمكن أن يكون للموجات الصوتية ترددات منخفضة تصل إلى 1 هرتز أو تصل إلى 20000 هرتز. وهذا يعني أن هناك أطيافًا كاملة من الأصوات تتجاوز نطاق السمع البشري، في انتظار استغلالها واستكشافها.

تاريخ التكنولوجيا القائمة على الصوت

إن مفهوم تسخير الموجات الصوتية لتحقيق إنجازات مذهلة ليس جديدًا. في الواقع، تعود فكرة استخدام الصوت لإنشاء أدوات قوية إلى أوائل القرن العشرين. تم تطوير أول تقنية تعتمد على الصوت في عشرينيات القرن الماضي، عندما اكتشف العلماء أنه يمكن استخدام الموجات الصوتية عالية التردد لتنظيف الأسطح الحساسة. وقد مهد هذا العمل الرائد الطريق لتطوير أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية، والتي لا تزال تستخدم على نطاق واسع حتى اليوم.

لننتقل سريعًا إلى الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، عندما بدأ الباحثون في استكشاف إمكانات الموجات الصوتية في الطب. واكتشفوا أنه يمكن استخدام الموجات الصوتية المركزة لتفتيت حصوات الكلى، وهي تقنية تعرف باسم تفتيت الحصى. أدى هذا الإنجاز إلى تطوير علاجات طبية غير جراحية، مما أحدث ثورة في مجال جراحة المسالك البولية.

ومع ذلك، فإن مفهوم ليزر الفونون هو تطور أحدث. في التسعينيات، اقترح العلماء لأول مرة فكرة استخدام الموجات الصوتية بدلاً من الضوء لإنشاء الليزر. وكان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لتضخيم الموجات الصوتية والتحكم فيها، مما يجعلها قوية ودقيقة بما يكفي لتطبيقات العالم الحقيقي.

على مر السنين، أحرز الباحثون تقدمًا مطردًا في تطوير ليزر الفونون، لكن التكنولوجيا كانت محدودة بسبب ضعف الموجات الصوتية المنتجة وعدم دقتها.

الدفعة الإلكترونية التي غيرت كل شيء

يكمن التغيير في الدفعة الإلكترونية الصغيرة والقوية التي صممها العلماء. ومن خلال تطبيق حقن إلكتروني أحادي اللون (single-colour electronic injection)، تقنية تُستخدم لإدخال تيار كهربائي محدد في نظام ما وفي حالة الليزر الفونوني، يعني هذا أنك تضيف تياراً كهربائياً (عادةً أحادي اللون) لتحفيز أو تعزيز النشاط الفونوني داخل الجهاز، على هذا النظام المعلق، يمكن تحقيق تعزيز هائل لجميع التوافقيات الفونونية عالية الدرجة، مع زيادة السطوع بأكثر من 3 مرات وتضييق عرض الخط بمقدار 5 مرات.

إن الموجات الصوتية كمجموعة من الأشخاص يحاولون السير بشكل متزامن. وبدون الحقن الإلكتروني، ستكون الموجات الصوتية مثل مجموعة من الأشخاص يحاولون السير معًا، لكن كل واحد منهم يكون خارج المسار قليلاً. والنتيجة هي موجة صوتية ضعيفة وغير دقيقة. ولكن، عندما يتم تطبيق الحقن الإلكتروني، فهو يشبه قرع الطبول الذي يزامن المسيرة.

كما أن ليزر الفونون المعزز إلكترونيًا أكثر استقرارًا، حيث يمتد استقرار التردد من اثنتي عشرة دقيقة إلى أكثر من ساعة. والأهم من ذلك، تم تأكيد تعزيز ارتباطات الفونون ذات الترتيب الأعلى، باعتبارها ميزة أساسية في الليزر، من خلال الحقن الإلكتروني أيضًا، وهو ما لم يتم الإبلاغ عنه في الأعمال السابقة باستخدام هذه التقنية على حد علمنا. يعد هذا العمل، الذي يوفر إشارات أقوى وأفضل جودة لتوافقيات الفونون المتماسكة، خطوة رئيسية نحو التحكم في ليزر الفونون غير الخطي واستخدامه لتطبيقات عديدة.

ثورة في الصناعات باستخدام أقوى ليزر صوتي

يتمتع أقوى ليزر صوتي بالقدرة على إحداث تحول في العديد من الصناعات، وسيكون تأثيره محسوسًا خارج حدود المختبر. أحد أهم المجالات التي ستحدث فيها الموجات الصوتية فرقًا هو التصوير الطبي. حيث يمكن لأشعة الليزر الفونون إنشاء صور حساسة ودقيقة للغاية باستخدام الموجات الصوتية، مما يقلل من خطر إلحاق الضرر بالمرضى.

وفي مجال استكشاف أعماق البحار، ستمكن أشعة الليزر الفونونية من تحسين أنظمة الاتصالات والملاحة. حاليًا، الاتصالات تحت الماء محدودة، وغالبًا ما تعتمد أنظمة الملاحة على معدات مرهقة ومكلفة. يمكن لأشعة الليزر الفونون أن تسهل الاتصالات عالية السرعة والملاحة الدقيقة، مما يحدث ثورة في فهمنا للمحيطات ومواردها الهائلة.

علاوة على ذلك، سيكون لليزر الفونوني تأثير كبير على علوم المواد والحوسبة الكمومية. ومن خلال تسخير قوة الموجات الصوتية، يستطيع الباحثون التعامل مع المواد على المستوى الجزيئي، مما يؤدي إلى اكتشافات في مجالات مثل تكنولوجيا النانو وهندسة المواد. وفي الحوسبة الكمومية، يمكن استخدام ليزر الفونون للتحكم في الكيوبتات ومعالجتها، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية.