العلماء ينتجون “الجاذبية الزائفة” باستخدام البلورات الضوئية

تلاعب العلماء بالضوء ليتصرف كما لو كان متأثرًا بالجاذبية باستخدام بلورات ضوئية مشوهة، مما فتح آفاقًا للتقدم في مجال البصريات واتصالات الجيل السادس.

التلاعب بسلوك الضوء بالجاذبية الزائفة

قامت مجموعة تعاونية من الباحثين بالتلاعب بسلوك الضوء كما لو كان تحت تأثير الجاذبية. النتائج التي نشرت في المجلة المراجعة البدنية أ في 28 سبتمبر 2023، سيكون لها آثار بعيدة المدى على عالم البصريات وعلوم المواد، ولها أهمية في تطوير اتصالات الجيل السادس.

صورة مفاهيمية للبلورة الضوئية المشوهة والبلورة الضوئية. الائتمان: K. كيتامورا وآخرون.

نظرية أينشتاين والجاذبية الزائفة

لقد أثبتت نظرية ألبرت أينشتاين النسبية منذ فترة طويلة أن مسار الموجات الكهرومغناطيسية – بما في ذلك الموجات الكهرومغناطيسية الخفيفة والتيراهيرتز – يمكن أن ينحرف بواسطة مجالات الجاذبية. لقد توقع العلماء مؤخرًا نظريًا أن تكرار تأثيرات الجاذبية – أي الجاذبية الزائفة – ممكن عن طريق تشويه البلورات في منطقة الطاقة (أو التردد) المنخفضة.

وقال البروفيسور كيوكو كيتامورا من كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة توهوكو: “لقد شرعنا في استكشاف ما إذا كان تشويه الشبكة في البلورات الضوئية يمكن أن ينتج تأثيرات الجاذبية الزائفة”.

نتائج الإعداد والمحاكاة التجريبية لمسار الشعاع في DPC. الائتمان: © ك. كيتامورا وآخرون.

دور البلورات الضوئية

تمتلك البلورات الضوئية خصائص فريدة تمكن العلماء من التعامل مع سلوك الضوء والتحكم فيه، حيث تعمل بمثابة “وحدات تحكم في حركة المرور” للضوء داخل البلورات. يتم بناؤها من خلال ترتيب مادتين مختلفتين أو أكثر بشكل دوري بقدرات متفاوتة على التفاعل مع الضوء وإبطائه بنمط منتظم ومتكرر. علاوة على ذلك، فقد لوحظت تأثيرات الجاذبية الكاذبة الناتجة عن التغيرات الأديباتية في البلورات الضوئية.

قامت كيتامورا وزملاؤها بتعديل البلورات الضوئية عن طريق إدخال التشوه الشبكي: وهو تشوه تدريجي للمسافات المنتظمة بين العناصر، مما أدى إلى تعطيل النمط الشبيه بالشبكة للبلورات البروتونية. تلاعب هذا ببنية الشريط الضوئي للبلورات، مما أدى إلى مسار شعاع منحني في الوسط – تمامًا مثل شعاع الضوء الذي يمر عبر جرم سماوي ضخم مثل الثقب الأسود.

النتائج التجريبية، مع اختلاف الإرسال بين المنفذ B وC يُظهر بوضوح انحناء الحزمة في DPC. الائتمان: K. كيتامورا وآخرون.

تفاصيل التجربة والآثار المترتبة عليها

على وجه التحديد، في تجربتهم، استخدم العلماء بلورة ضوئية مشوهة من السيليكون مع ثابت شعرية أولية يبلغ 200 ميكرومتر وموجات تيراهيرتز. أثبتت التجارب بنجاح انحراف هذه الموجات.

ويضيف كيتامورا: “مثلما تعمل الجاذبية على ثني مسار الأجسام، فقد توصلنا إلى وسيلة لثني الضوء داخل مواد معينة”. “يمكن تسخير توجيه الشعاع داخل الطائرة ضمن نطاق تيراهيرتز في اتصالات الجيل السادس. وقال البروفيسور المشارك ماسايوكي فوجيتا من جامعة أوساكا: “من الناحية الأكاديمية، تظهر النتائج أن البلورات الضوئية يمكنها استغلال تأثيرات الجاذبية، وفتح مسارات جديدة في مجال فيزياء الجرافيتون”.

المرجع: “انحراف الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق الجاذبية الزائفة في البلورات الضوئية المشوهة” بقلم كانجي نانجيو، ويوكي كاواموتو، وهيتوشي كيتاجاوا، ودانييل هيدلاند، وماسايوكي فوجيتا، وكيوكو كيتامورا، 28 سبتمبر 2023، المراجعة البدنية أ.
دوى: 10.1103/PhysRevA.108.033522