هر رنگی که دوست دارید: دانشمندان NIST لیزرهای “هر طول موج” را در مدارهای کوچک برای نور ایجاد می کنند

تراشه‌های رایانه‌ای که میلیاردها دستگاه الکترونیکی را در چند اینچ مربع جمع می‌کنند، اقتصاد دیجیتال را تقویت کرده و جهان را متحول کرده است. دانشمندان ممکن است در آستانه راه اندازی یک انقلاب تکنولوژیکی مشابه باشند – این بار با استفاده از نور.

در پیشرفت قابل توجهی به سمت این هدف، دانشمندان و همکاران موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) روشی را برای ساخت مدارهای مجتمع برای نور با قرار دادن الگوهای پیچیده ای از مواد تخصصی روی ویفرهای سیلیکونی ابداع کرده اند. این تراشه‌های به اصطلاح فوتونیک از دستگاه‌های نوری مانند لیزر، موجبرها، فیلترها و سوئیچ‌ها برای انتقال نور به اطراف و پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند. پیشرفت جدید می تواند برای فناوری های نوظهور مانند هوش مصنوعی، رایانه های کوانتومی و ساعت های اتمی نوری تقویت شود.

اسکات پاپ، فیزیکدان NIST که گروهش رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، می‌گوید ساخت مدارهای نور به اندازه مدار الکترون‌ها، یکی از مرزهای فناوری امروزی است. منتشر شده در این هفته در طبیعت. “ما در حال یادگیری ساخت مدارهای پیچیده با عملکردهای مختلف هستیم که در بسیاری از حوزه های کاربردی برش داده می شود.”

سرعت نور

وقتی صحبت از انتقال و پردازش اطلاعات می شود، نور می تواند کارهایی را انجام دهد که الکتریسیته نمی تواند انجام دهد. فوتون ها – ذرات نور – در مسیر خود در مدارها به مراتب از الکترون ها زیپ تر هستند.

نور لیزر همچنین برای کنترل فناوری های کوانتومی قدرتمند و نوظهور مانند ساعت های اتمی نوری و کامپیوترهای کوانتومی.

اما قبل از اینکه فوتونیک یکپارچه بتواند واقعاً به گام خود برسد، چندین مانع باقی مانده است. یکی شامل لیزر است. لیزرهای با کیفیت بالا، فشرده و کارآمد تنها در چند طول موج یا چند رنگ نور وجود دارند. به عنوان مثال، لیزرهای نیمه هادی در تولید نور مادون قرمز با طول موج 980 نانومتر یا یک میلیاردم متر بسیار خوب هستند – رنگی درست خارج از محدوده دید انسان.

فناوری‌های نوظهور مانند ساعت‌های اتمی نوری و رایانه‌های کوانتومی به نور لیزر در بسیاری از رنگ‌های دیگر نیز نیاز دارند. لیزرهایی که این رنگ‌ها را تولید می‌کنند، بزرگ، پرهزینه و پرقدرت هستند و به طور موثر این فناوری‌های کوانتومی را به تعداد انگشت شماری از آزمایشگاه‌های با هدف خاص محدود می‌کنند.

دانشمندان امیدوارند با ادغام لیزرها در مدارهای روی تراشه‌ها، به ارزان‌تر و قابل حمل‌تر شدن فناوری‌های کوانتومی کمک کنند تا بتوانند به وعده بزرگ خود عمل کنند.

رویکرد چند لایه

تراشه فوتونیک جدید NIST کمی شبیه یک کیک لایه است. پاپ و گرانت برودنیک، فیزیکدانان NIST، همراه با همکارانش، با یک ویفر استاندارد سیلیکونی که با دی اکسید سیلیکون (شیشه) و لیتیوم نیوبات پوشانده شده بود، شروع کردند، ماده ای به اصطلاح غیرخطی که می تواند رنگ نور ورودی به آن را تغییر دهد.

سپس محققان قطعات فلزی را برای کنترل الکتریکی نحوه تبدیل مدارها از یک رنگ نور به رنگ دیگر اضافه کردند. دانشمندان همچنین سایر رابط های فلزی-لیتیوم نیوبات را ایجاد کردند که به آنها اجازه می داد به سرعت نور را در مدارها روشن و خاموش کنند – توانایی بسیار مهمی برای پردازش داده ها و مسیریابی با سرعت بالا.

میخچه روی کیک، به اصطلاح، ماده غیرخطی دومی به نام پنتوکسید تانتالیوم یا تانتالا بود. تانتالا می‌تواند نور را به روش‌هایی تبدیل کند که شبیه جادو باشد، با گرفتن یک رنگ لیزری و نمایش رنگین کمان کامل رنگ‌های نور مرئی به‌علاوه طیف وسیعی از طول موج‌های مادون قرمز. پاپ و همکارانش سال ها وقت گذاشته اند در حال توسعه تکنیک هایی برای ساخت مدارهای خارج از تانتالا بدون گرم کردن آن، اجازه می دهد مواد بر روی مواد دیگر بدون آسیب رساندن به آنها رسوب کند.

با الگوبرداری از مواد مختلف روی یکدیگر در یک پشته سه بعدی، محققان یک تراشه واحد تولید کردند که نور را به طور موثر بین لایه ها هدایت می کند. این به آنها اجازه داد تا جادوی دستکاری نور تانتالا را با قابلیت کنترل لیتیوم نیوبات ادغام کنند. برادنیک می‌گوید، تکنیک جدید “اجازه می‌دهد یکپارچه‌سازی یکپارچه‌ای”. “قدرت واقعی این است که تانتالا را می توان به مدارهای موجود اضافه کرد.”

در نهایت، محققان توانستند تقریباً 50 تراشه به اندازه ناخن انگشت حاوی 10000 مدار فوتونیک را که هر کدام یک رنگ منحصربه‌فرد را تولید می‌کرد، روی ویفری به اندازه یک زیر لیوانی آبجو قرار دهند. پاپ می‌گوید: «ما می‌توانیم همه این رنگ‌های مختلف را فقط با طراحی مدارها ایجاد کنیم.

یک تراشه، کاربردهای بالقوه بسیار

فناوری‌های کوانتومی مانند ساعت‌ها و رایانه‌ها می‌توانند از بزرگترین ذینفعان فوتونیک یکپارچه باشند. این دستگاه ها اغلب از آرایه هایی از اتم ها برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده می کنند. برای هر نوع اتم، فیزیکدانان به لیزرهای متناسب با سطوح انرژی کوانتومی داخلی اتم نیاز دارند. برای مثال، اتم‌های روبیدیم که معمولاً در رایانه‌های کوانتومی و ساعت‌ها استفاده می‌شوند، به نور قرمز با طول موج 780 نانومتر پاسخ می‌دهند. اتم‌های استرانسیوم، یکی دیگر از گزینه‌های محبوب، نور آبی را در ۴۶۱ نانومتر «دیدن» می‌کنند. رنگ های دیگر را بر روی اتم ها بتابانید و هیچ اتفاقی نمی افتد.

لیزرهای حجیم، پرهزینه و پیچیده مورد نیاز برای تولید این رنگ‌های سفارشی، مانع بزرگی برای خروج رایانه‌های کوانتومی و ساعت‌های نوری از آزمایشگاه و ورود به میدان بوده است، جایی که می‌توانند تأثیرات بزرگی داشته باشند. به عنوان مثال، ساعت های نوری ارزان، کم مصرف و قابل حمل می توانند کمک به پیش‌بینی فوران‌های آتشفشانی و زلزله، ارائه جایگزینی برای GPS برای موقعیت‌یابی و ناوبری، و کمک به دانشمندان در بررسی اسرار علمی مانند ماهیت ماده تاریک. کامپیوترهای کوانتومی می توانند راه های جدیدی برای مطالعه فیزیک و شیمی داروها و مواد ارائه دهند.

مدارهای فوتونی یکپارچه فقط برای کوانتومی نیستند. پاپ معتقد است تراشه‌های فوتونیک NIST می‌توانند به انتقال موثر سیگنال‌ها بین تراشه‌های تخصصی مورد استفاده شرکت‌های فناوری کمک کنند و به طور بالقوه ابزارهای مبتنی بر هوش مصنوعی را قوی‌تر و کارآمدتر کنند. شرکت های فناوری همچنین علاقه مند به استفاده از فوتونیک برای بهبود نمایشگرهای واقعیت مجازی هستند.

پاپ و برودنیک می گویند در حالی که تراشه های NIST هنوز برای تولید انبوه آماده نیستند، تکنیک مورد استفاده برای ایجاد آنها مسیری رو به جلو را فراهم می کند. دانشمندان NIST با کارشناسان Octave Photonics همکاری کردند، یک شرکت نوپا مستقر در لوئیزویل، کلرادو که توسط محققان سابق NIST تأسیس شده است و اکنون در حال کار برای افزایش این فناوری هستند.

پاپ می‌گوید: «وقتی تراشه را می‌بینید که در آزمایشگاه می‌درخشد، نور نامرئی را جذب می‌کند و تمام این نور مرئی را در یک تراشه یکپارچه می‌سازد – واضح است که چند کاربرد بالقوه می‌تواند وجود داشته باشد.

---

مقاله: Grant M. Brodnik، Grisha Spektor، Lindell M. Williams، Jizhao Zang، Alexa R. Carollo، Atasi Dan، Jennifer A. Black، David R. Carlson و Scott B. Papp. ادغام سه بعدی یکپارچه فوتونیک غیرخطی پنتوکسید تانتالم. طبیعت. منتشر شده به صورت آنلاین در 15 آوریل 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10379-w