وليكن هناك ضوء ، مزيد من الضوء

لقد بدأت بنتائج تجريبية غريبة جدًا ، واستمرت في نظرية فيزيائية جديدة حول سلوك الفوتونات ، وقد تعمل في المستقبل على تحسين شاشات هواتفنا الذكية وتسمح باتصال أسرع للبيانات.عندما تتحرك الفوتونات أو الإلكترونات عبر الفضاء ، فإنها تدور أيضًا حول محورها. عندما يكون الدوران مع اتجاه حركتهم ، مثل رصاصة البندقية ، فإن تماثل الجسيمات يكون في اليد اليمنى ؛ مع الدوران في الاتجاه المعاكس ، أحدثت شاشات OLED التي تستخدم اليد اليسرى ثورة في مجال الإلكترونيات المنزلية. هذه الشاشات الشفافة والرقيقة والمرنة والفعالة من حيث التكلفة ، والتي تعتبر من بين أشياء أخرى مميزة للهواتف الذكية ، تتفوق في عدة جوانب على شاشات LCD أو شاشات البلازما. ومع ذلك ، على الرغم من أنها تعتبر أكثر اقتصادا في الكهرباء ، إلا أنها لا تزال مهدرة للغاية: حوالي نصف الضوء الذي تنتجه يذهب في المجاري بسبب القيود التي كانت تعتبر حتى الآن بسبب الخصائص الفيزيائية للضوء ، وبالتالي لا مفر منه . قد تغير دراسة جديدة ، بقيادة معهد وايزمان لعلماء العلوم ، الصورة من جميع النواحي. طريقة جديدة ، طورها البروفيسور بينغي يان من قسم فيزياء المادة المكثفة وزملائه في البحث ، تجعل من الممكن التحكم في خاصية مهمة للضوء وبالتالي مضاعفة سطوع شاشات OLED أو ، بدلاً من ذلك ، تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير. علاوة على ذلك ، قد تسمح الطريقة الجديدة باتصال أسرع للبيانات. لفهم إهدار الضوء الذي يحدث حتى في أكثر الشاشات تقدمًا في السوق ، يجب على المرء أولاً أن يركز على ظاهرة طبيعية أساسية تُعرف باسم “chirality”. בביולוגיה ובכימיה, כיראליות מתייחסת למולקולות שהן תמונת ראי האחת של השנייה, כלומר הן זהות מבחינה כימית, אך נבדלות במבנה המרחבי שלהן ולא ניתן להציבן כך שיחפפו זו את זו – ממש כמו כף יד ימין וכף יד שמאל שלנו (המושג כיראליות מקורו במלה היוונית שמשמעה “ يد”). قد يعمل جزيءان متطابقان ولكن متماثلان بطريقتين مختلفتين تمامًا. على سبيل المثال ، يُعرف جزيء الأسبارتام بأنه مُحلي ، في حين أن نظيره اللولبي ليس مُحليًا على الإطلاق. في صناعة المستحضرات الصيدلانية ، توجد جزيئات مراوان ، يتم علاج نسخة واحدة منها فقط ، في حين أن النسخة الأخرى في أحسن الأحوال عديمة الفائدة ، وأحيانًا ضارة. ومع ذلك ، في الفيزياء ، تشير chirality إلى دوران الجسيمات بالنسبة إلى محور حركتها. أي عندما تتحرك الفوتونات أو الإلكترونات عبر الفضاء ، فإنها تدور أيضًا حول محورها. عندما يكون الدوران مع اتجاه حركتهم ، مثل رصاصة البندقية ، فإن تماثل الجسيمات يكون في اليد اليمنى ؛ عندما يكون في الاتجاه المعاكس ، فإن chirality الخاصة بهم أعسر. البروفيسور بينغاي يان. تنوير غير متوقع. بإذن من معهد Weizmann ومن المثير للاهتمام ، أن الأنواع المختلفة من chirality – الفيزيائية والكيميائية الحيوية – تتوافق مع بعضها البعض: على سبيل المثال ، من المعروف الآن أن التناظر الهندسي للجزيئات العضوية يحدد أيضًا تماثل الجسيمات التي تمر عبرها. وماذا عن chirality للهواتف الذكية؟ حسنًا ، شاشات OLED مغطاة بطبقة خارجية شفافة مصنوعة من مادة لولبية تقوم بتصفية جزيئات الضوء (الفوتونات) وفقًا لتغير لونها. يعد هذا الترشيح ضروريًا لتحييد الضوء المحيط ، والذي يتضمن الفوتونات ذات التناقض الأيمن والأيسر ، وبالتالي قد يقلل من تباين الشاشة ويجعل من الصعب مشاهدتها في ضوء النهار. تعد طبقة التصفية هذه ضرورية بالفعل لتشغيل أنظمة العرض الضوئي – حاول التنقل باستخدام هاتفك الذكي في منتصف اليوم بدونه – لكنها مضيعة للوقت ، نظرًا لأن تماثل نصف الفوتونات التي ينتجها الجهاز لا يتطابق الطبقة الخارجية وبالتالي لا تصل إلينا. “اكتشفنا وحدة مثيرة للاهتمام بين جوانب مختلفة من chirality ، والتي تبدو منفصلة عن بعضها البعض: الهندسة البنيوية للمادة ، و chirality لتيار الإلكترون ، والآن أيضا chirality للضوء” في الدراسة الجديدة ، البروفيسور. يقدم يان وفريقه طريقة فعالة للتحكم في تباين الفوتونات من خلال التحكم في تيار الإلكترون – وهو أمر كان يعتبر مستحيلًا حتى الآن. طريقة تحقيق ذلك هي من خلال مكونات OLED التي تبعث الضوء في اتجاهين متعاكسين في نفس الوقت: للأمام ، للمستخدم النهائي ، وللخلف ، إلى سطح مغطى ببوليمر لولبي مثبت على الجزء الخلفي من الشاشات. وبهذه الطريقة ، سيمر نصف الضوء الناتج عبر الطبقة الخارجية دون انقطاع ، كما هو الحال اليوم ، لكن باقي الضوء لن يضيع: سيصطدم بالطبقة الخلفية للشاشة وسوف ينعكس شراريتها والسماح لها بالوصول إلينا. ولكن كيف يغير عاكس البوليمر الموجود في الجزء الخلفي من الجهاز من تباين الفوتونات؟ اكتشافات غريبة – وحتمية حسنًا ، بدأت القدرة على عكس تماثل الفوتونات بنتائج تجريبية غريبة جدًا للدكتور لي فان ، الذي كان حينها باحثًا بعد الدكتوراه في جامعة لينشوبينج في السويد. يتذكر البروفيسور جان. “وجد علماء آخرون صعوبة في تصديق النتائج. قالوا إن شيئًا ما قد حدث خطأ في التجارب “. على عكس ما كان معروفًا في ذلك الوقت ، أظهر الدكتور فان ومشرفه في ذلك الوقت ، البروفيسور ألاسدير كامبل ، أنهما قادران على عكس تمايل تيار الإلكترون عن طريق عكس قطبية البطارية التي تنتج تيارًا كهربائيًا. كان البروفيسور كامبل مقتنعًا بأنهم اكتشفوا شيئًا مهمًا ، لكنه توفي في عام 2021 ، دون أن يجد تفسيرًا نظريًا للنتائج التجريبية الغريبة. بعد وفاته ، اتصل د. فان بالبروفيسور يان ، بعد مشاهدة محاضرة على الإنترنت ، يشرح فيها البروفيسور يان من خلال فيزياء الكم كيف تحدد شرعية مادة ما تزاوج تيار الإلكترون. بعد نداء الدكتور فان ، بدأ البروفيسور يان في تحليل النتائج التجريبية الغريبة مع عالمين آخرين: الدكتور ييتشو ليو من قسم فيزياء المادة المكثفة في المعهد والبروفيسور ماثيو جي بوشر من إمبريال كوليدج لندن. بفضل هذه النتائج ، وسع البروفيسور يان نظريته حول chirality وأظهر كيف أن هذه نتائج حتمية للنظرية التي طورها بنفسه. مهدت هذه الاكتشافات الجديدة الطريق للعلماء للتحكم في تباين الضوء المنبعث من تيار الإلكترون: كل ما كان عليهم فعله هو استخدام بوليمر مراوان يسمح بالتحكم في تباين تيار الإلكترون وبالتالي أيضًا في الفوتون. تدفق. يختتم البروفيسور يان الدراسة الجديدة “لقد اكتشفنا وحدة مثيرة للاهتمام بين جوانب مختلفة من chirality ، والتي تبدو منفصلة عن بعضها البعض: الهندسة الهيكلية للمادة ، و chirality لتيار الإلكترون ، والآن أيضًا chirality للضوء”. . بالإضافة إلى إنتاج شاشات أكثر كفاءة ، يمكن لنتائج البحث تحسين مجال نقل البيانات الرقمية بشكل كبير من خلال إنشاء محولات ضوئية تعمل بسرعة أعلى بكثير من المفاتيح الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، تشير نتائج البحث إلى الحاجة إلى تحديث الكتب المدرسية بشأن chirality. حقيقة أن البروفيسور يان توصل إلى هذه الاكتشافات على وجه التحديد في معهد وايزمان له معنى شخصي بالنسبة له. ولد البروفيسور يان في الصين وجاء إلى إسرائيل بعد أن أقام في الولايات المتحدة وألمانيا كباحث ما بعد الدكتوراه. مستوحاة من دراسة أجراها البروفيسور رون نعمان من المعهد عام 2011 ، بدأ البروفيسور يان في التعمق أكثر في العلاقات المتبادلة بين الأنواع المختلفة من التزاوج. في عام 2017 ، بعد أن انضم بالفعل إلى طاقم المعهد وانتقل إلى إسرائيل مع زوجته وطفليه ، سقط الرمز المميز له ، وهو الآن زميل البروفيسور نعمان – الذي أثار اهتمامه بالإسرائيليين في الأول. مكان. قال البروفيسور جان: “إنها تغلق دائرة بالنسبة لي ، ولها أيضًا قيمة مضافة: يمكنني ، من وقت لآخر ، القفز إلى رون وشرب القهوة معًا أثناء الحديث عن chirality.” المزيد عن الموضوع على موقع العلوم: الضوء ، المادة – وكل شيء بينهما ، الفن الياباني في خدمة علم الرادار الضوئي