منارة إلكترونية توجه الإلكترونات بالضوء فقط

تعتمد جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبا على تحريك الإلكترونات بواسطة فرق الجهد الكهربائي ، فسواء كان الأمر يتعلق بهاتف ذكي أو حاسوب أو معالج إلكتروني، فإن التيار الكهربائي ينشأ عندما يدفع المجال الكهربائي الإلكترونات للتحرك داخل المادة ، لكن دراسة جديدة أجراها باحثون في جامعة ميشيجان تقترح طريقة مختلفة تماما، إذ نجحوا في توجيه حركة الإلكترونات باستخدام الضوء وحده، دون الحاجة إلى تطبيق أي جهد كهربائي.

أطلق الباحثون على هذا الابتكار اسم المنارة الإلكترونية، لأن الجهاز لا يكتفي بإطلاق تيار من الإلكترونات بل يستطيع أيضا توجيه مساره، تماما كما توجه منارة البحر شعاع الضوء في اتجاه محدد ، ويعتمد الجهاز على شعاعي ليزر يعملان في نطاق الأشعة تحت الحمراء غير المرئية لكل منهما طول موجي مختلف، وعند تسليطهما على مادة شبه موصلة بطريقة دقيقة، يكتسب بعض الإلكترونات طاقة كافية للتحرك في اتجاه معين، دون الحاجة إلى وجود مجال كهربائي خارجي يدفعها كما يحدث في الدوائر الإلكترونية التقليدية.

يرجع ذلك إلى ظاهرة كمية تعرف باسم التداخل الكمي حيث تتصرف الإلكترونات على المستوى الذري كموجات أكثر من كونها جسيمات منفصلة ، وعندما تتداخل هذه الموجات بطريقة معينة، يمكن توجيه احتمال حركة الإلكترونات نحو اتجاه محدد، فينشأ تيار كهربائي موجه نتيجة الضوء وحده.

إن المثير للاهتمام أن العلماء لم يغيروا اتجاه الشعاع الإلكتروني بتحريك الجهاز نفسه وإنما بمجرد تغيير استقطاب الضوء، أي اتجاه اهتزاز الموجة الضوئية. فكلما تغير اتجاه استقطاب الليزر، تغير الاتجاه الذي تنطلق فيه الإلكترونات داخل المادة، وكأن الضوء نفسه أصبح عجلة قيادة تتحكم في حركة التيار الكهربائي ، كما أظهرت الدراسة أن الإلكترونات في هذا النظام تتحرك فيما يعرف باسم التيار الباليستي، أي أنها تنطلق في مسارات مباشرة تحددها سرعتها الابتدائية دون أن تتعرض باستمرار للاصطدام بالشوائب والعيوب الموجودة داخل المادة كما يحدث في التيارات الكهربائية التقليدية.

تؤدي هذه الاصطدامات في الظروف العادية إلى تشتيت الإلكترونات وإبطاء حركتها، أما في هذا النظام فإن الإلكترونات تحافظ على مسارها لفترة أطول، وهو ما يمنح الباحثين قدرة أكبر على التحكم فيها ، وللوصول إلى هذه النتيجة اضطر الفريق إلى تصميم الجهاز بعناية فائقة لمنع أي مجال كهربائي خارجي من التأثير في النتائج حتى يتأكدوا من أن التيار المتولد ناتج بالفعل عن الضوء وليس عن أي مصدر آخر.

استغرق تطوير طريقة تصنيع مناسبة وقتا طويلا، لأن مثل هذا النوع من التجارب لم يكن له نموذج جاهز يمكن الاعتماد عليه ، ولا تمثل هذه الدراسة مجرد إثبات لظاهرة فيزيائية جديدة، بل تؤكد أيضا تنبؤا نظريا طرح قبل سنوات، بأن الضوء وحده يمكن أن يولد تيارا موجها من الإلكترونات اعتمادا على مبادئ ميكانيكا الكم، دون الحاجة إلى تطبيق أي فرق جهد كهربائي.

يرى الباحثون أن أهمية هذا الاكتشاف لا تكمن في استبدال الأسلاك الكهربائية بالضوء في المستقبل القريب، وإنما في فتح نافذة جديدة لدراسة ما يعرف بالهندسة الكمية للمواد، وهي الخصائص الدقيقة التي تحدد كيفية تصرف الإلكترونات داخل المواد على المستوى الذري ، وفهم هذه الخصائص قد يساعد في تطوير مواد إلكترونية جديدة ذات كفاءة أعلى، وتحسين الحساسات الكمية، وربما تصميم مكونات مستقبلية للحواسيب الكمية وأنظمة الاتصالات فائقة الدقة.