آشکارسازی الگوهای پنهان اسپینی: چگونه لیزرها قفل جهان کوانتومی را باز می‌کنند؟

مدت‌هاست که دانشمندان در تلاش بودند تا راه‌هایی برای مطالعه نوع خاصی از امواج نوری به نام امواج پلاسمونیک ابداع کنند؛ امواجی از نوسانات الکترونی که وقتی نور با فلز برهمکنش می‌کند، در امتداد سطح فلزات حرکت می‌کنند. امواج پلاسمونیک می‌توانند نور را در فضاهای کوچک متمرکز کنند و پلی بین نور و جهان نانو ایجاد کنند. آنها کاربردهای متعددی دارند. به عنوان مثال، دانشمندان با استفاده از این امواج می‌توانند بیومولکول‌های کوچک را بررسی کنند، تغییرات میکروسکوپی واکنش‌های بیولوژیکی و شیمیایی را شناسایی کنند، ابزارهای تصویربرداری پزشکی با وضوح بالا ایجاد کنند، کارایی سلول‌های خورشیدی را افزایش دهند، و عملکرد دستگاه‌های فوتونیک را افزایش دهند.
یک تکنیک پیشگامانه با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تفکیک زمانی و لیزرهای چندقطبی به دانشمندان این امکان را می‌دهد که امواج پلاسمونیک را با دقت زیادی تجزیه و تحلیل کنند. این روش به کشف ماهیت پایدار و پویای ساختارهای اسپینی کمک کرده و راه‌های جدیدی را در فناوری مقیاس نانو باز می‌کند.
پلاسمون‌ها ارتعاشات جمعی الکترون‌ها در یک جامد هستند که نقش کلیدی در کاربردهای مختلف مانند سنجش، کاتالیز و جمع‌آوری نور دارند. نوع خاصی از موج پلاسمونی که به عنوان پلاریتون‌های پلاسمون سطحی شناخته می‌شود، در امتداد سطوح فلزی حرکت می‌کند و به توانایی افزایش میدان‌های الکترومغناطیسی شهرت دارد. یکی از ابزارهای پیشرفته برای مطالعه این امواج، میکروسکوپ الکترونی تفکیک زمانی است که از پالس‌های لیزری فوق‌کوتاه برای آشکار کردن رفتار آنها استفاده می‌کند. اخیراً یک تیم بین‌المللی از محققان پیشرفت‌های چشمگیری در این تکنیک داشته‌اند.
طبق گزارشی در Advanced Photonics، این تیم از چندین پالس لیزری با تأخیر زمانی و چهار قطبش متفاوت برای ثبت میدان الکتریکی امواج استفاده کردند. این رویکرد نوآورانه به سطحی از دقت دست یافت که قبلاً دست نیافتنی بود. محققان برای آزمایش روش خود، ساختار اسپینی خاصی به نام جفت مرون را مطالعه کردند. مرون یک ساختار توپولوژیکی است که در آن جهت اسپین فقط نیمی از یک کره را پوشش می‌دهد، برخلاف ساختارهای مشابه مانند اسکایرمیون ها که کل یک کره را می پوشانند.
برای بازسازی ساختار اسپینی در آزمایشگاه، محققان به بردارهای میدان الکتریکی و مغناطیسی پلاریتون‌های سطحی پلاسمون نیاز داشتند. در حالی که بردارهای میدان الکتریکی را می‌توان مستقیماً اندازه‌گیری کرد، بردارهای میدان مغناطیسی باید بر اساس رفتار میدان الکتریکی در طول زمان و مکان محاسبه می‌شد. محققان با استفاده از روش دقیق خود توانستند ساختار اسپینی را بازسازی کرده و ویژگی‌های توپولوژیکی آن مانند عدد چرن، را تعیین کنند. عدد چرن تعداد دفعاتی که ساختار اسپین بر روی یک کره نگاشت می شود، را توصیف می‌کند. در این مورد، عدد چرن یک بود که نشان‌دهنده وجود یک جفت مرون است.
این مطالعه همچنین نشان داد که ساختار اسپینی در طول مدت پالس پلاسمونیک، علی‌رغم چرخش سریع بردارهای میدان الکتریکی و مغناطیسی، پایدار می‌ماند. این رویکرد جدید به جفت‌های مرون محدود نمی‌شود و می‌تواند برای دیگر میدان‌های پلاریتون پلاسمون سطحی پیچیده اعمال شود. درک این میدان‌ها و خواص توپولوژیکی آنها به ویژه در مقیاس نانو که حفاظت توپولوژیکی می‌تواند به حفظ پایداری مواد و دستگاه‌ها کمک کند، مهم است.
این تحقیق نشان می‌دهد که اکنون می‌توان ساختارهای اسپینی پیچیده را با دقت بالا در مقیاس‌های زمانی بسیار کوتاه مطالعه کرد. توانایی بازسازی دقیق میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی کامل پلاریتون‌های پلاسمون سطحی، فرصت‌های جدیدی را برای کاوش در خواص توپولوژیکی میدان‌های الکترومغناطیس نزدیک باز می‌کند، که می‌تواند پیامدهای مهمی برای فناوری‌های آینده در مقیاس نانو داشته باشد.

لینک خبر: https://scitechdaily.com/revealing-hidden-spin-patterns-how-lasers-unlock-the-quantum-world/