لطالما تم توجيه الكهرباء على مسارات مألوفة. تمتد أسلاك النحاس عبر الجدران والمدن، وتحدد الدوائر خطوطًا دقيقة عبر شرائح السيليكون، وتتبع الإلكترونات الطرق التي يعدها المهندسون لها. لقد خدمت هذه الترتيبات كعمود فقري للتكنولوجيا الحديثة لأكثر من قرن.
ومع ذلك، تحت الهمهمة المستمرة لتلك الأسلاك يكمن سؤال أعمق: ماذا لو كان بالإمكان توجيه الكهرباء دون الحاجة إلى المسارات الفيزيائية المعتادة على الإطلاق؟
تشير الأبحاث الحديثة إلى أن الضوء نفسه قد يقدم إجابة مفاجئة.
أظهر العلماء الذين يدرسون سلوك الإلكترونات داخل مواد معينة تقنية تستخدم نبضات ضوئية فائقة السرعة للتأثير على كيفية حركة التيارات الكهربائية. بدلاً من الاعتماد فقط على الدوائر التقليدية، تظهر هذه التجارب أن ومضات الضوء المشكّلة بعناية يمكن أن توجه حركة الإلكترونات أثناء سفرها عبر مادة.
بعبارات بسيطة، يصبح الضوء دليلاً مؤقتًا.
تركز الأعمال على ما يصفه الباحثون بأنه "تيارات كهربائية متدفقة" - تيارات ليست محصورة بواسطة الأسلاك التقليدية أو القنوات الموصلة الثابتة. تحت الظروف المناسبة، يمكن للإلكترونات داخل مادة صلبة أن تتحرك بطرق تتأثر بمصادر الطاقة الخارجية، بما في ذلك الموجات الكهرومغناطيسية.
باستخدام نبضات ليزر قصيرة للغاية، تستمر أحيانًا فقط لفيمتوثانية (واحد من كوادريليون من الثانية)، يمكن للعلماء التفاعل مع الإلكترونات خلال اللحظات الأولى من حركتها. في هذه الأوقات، يمكن لموجات الضوء تشكيل اتجاه وشدة التيارات الكهربائية تقريبًا على الفور.
يعتمد المبدأ على العلاقة الحميمة بين الضوء والكهرباء. الضوء هو نفسه موجة كهرومغناطيسية، تحمل مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة. عندما تتفاعل هذه المجالات مع الإلكترونات في مادة، يمكن أن تدفع تلك الإلكترونات في اتجاهات معينة.
من خلال التحكم في التوقيت والشدة والاتجاه لنبضات الليزر، يمكن للباحثين توجيه كيفية استجابة الإلكترونات.
النتيجة ليست شعاعًا من الكهرباء يسير عبر الفضاء الفارغ، بل تيارًا مضبوطًا بدقة داخل المادة - يمكن تبديله أو إعادة توجيهه باستخدام الضوء بدلاً من المكونات الميكانيكية أو البوابات الإلكترونية التقليدية.
بالنسبة للعلماء الذين يستكشفون حدود الحوسبة والإلكترونيات، فإن الآثار مثيرة للاهتمام.
تعمل المعالجات الحديثة بالفعل بسرعات مذهلة، لكنها تظل مقيدة بالخصائص الفيزيائية للدوائر والترانزستورات. إذا كان بالإمكان التلاعب بالتيارات الكهربائية مباشرة باستخدام الضوء، فقد يسمح ذلك في النهاية للأجهزة بالعمل على مقاييس زمنية أسرع بكثير من تلك الممكنة مع الإلكترونيات التقليدية.
يتصور بعض الباحثين تقنيات مستقبلية حيث تتحكم الإشارات الضوئية في سلوك الإلكترونيات تقريبًا على الفور، مما يدمج الفوتونيات والإلكترونيات في منصة فائقة السرعة واحدة.
قد تمكّن مثل هذه الأنظمة من معالجة البيانات بشكل أسرع، وتحسين تقنيات الاتصال، أو أنواع جديدة تمامًا من المستشعرات القادرة على الاستجابة للإشارات بسرعة غير مسبوقة.
ومع ذلك، لا تزال الأبحاث تجريبية إلى حد كبير.
تتطلب أنظمة الليزر اللازمة لهذه العروض تخصصًا عاليًا، وسيتطلب تحويل الاكتشافات المخبرية إلى أجهزة عملية بعض الوقت. يجب على العلماء أيضًا فهم كيفية استجابة المواد المختلفة للتيارات المدفوعة بالضوء وكيف يمكن تثبيت هذه التأثيرات لتكنولوجيا الحياة اليومية.
ومع ذلك، توفر التجارب لمحة عن عالم حيث يفعل الضوء أكثر من مجرد إضاءة أو نقل المعلومات. في هذه اللحظات التي يتم التحكم فيها بعناية، يعمل الفوتونات والإلكترونات معًا، مشكلين التيارات بطرق كانت تبدو مستحيلة في السابق.
يعكس التطور اتجاهًا أوسع في الفيزياء: استكشاف كيفية استغلال التفاعلات الأساسية لبناء تقنيات أسرع وأكثر كفاءة.
بينما تستمر الأبحاث، يعمل العلماء على تحسين التقنية واستكشاف كيفية دمجها في الأنظمة الإلكترونية المستقبلية. الهدف ليس استبدال الدوائر الحالية بين عشية وضحاها، بل توسيع نطاق الأدوات المتاحة للتحكم في الكهرباء.
في الوقت الحالي، يقدم الاكتشاف صورة بسيطة ولكن قوية: ومضة من الضوء توجه حركة الإلكترونات، تعيد تشكيل كيفية تحرك الطاقة عبر المادة.
تنبيه صورة الذكاء الاصطناعي الرسوم البيانية مولدة بواسطة الذكاء الاصطناعي ومخصصة للتمثيل، وليس للواقع.
المصادر المشار إليها في التقرير: Nature Physics ScienceDaily Phys.org MIT Technology Review Optica