الليزر المدارّي الحلزوني في سطح ميتا مزدوج ملتف

ضوء يلتف في الفراغ

عادةً ما نصف الضوء بأنه يتحرك في خطوط مستقيمة، لكنه يمكن أيضاً أن يدور مثل زوبعة صغيرة. الحزم التي تلتف بهذا الشكل يمكنها حمل معلومات، أو تحريك أجسام دقيقة، أو فحص مواد بيولوجية بطرق جديدة. في هذا العمل، بنى الباحثون ليزرًا مجهريًا ينتج بطبيعته ضوءًا ملتفًا عبر تكديس وتدوير طبقتين رقيقتين من المواد شبه الموصلة المصممة بنقوش دقيقة. قد تجعل طريقتهم مصادر مدمجة على الشريحة للضوء «الذِيلي» — الضوء ذي اليدية المضمنة — أسهل بكثير في التصنيع والاستخدام.

لماذا يغيّر تدوير الطبقات الضوء

خلال السنوات القليلة الماضية، اكتشف العلماء أن تدوير طبقتين رقيقتين على مستوى الذرة بالنسبة لبعضهما يمكن أن يغير جذريًا كيفية حركة الإلكترونات، حتى أن ذلك قد يحول عازلًا إلى موصل فائق. ألهمت هذه الفكرة، المعروفة باسم «تويسترونيكس»، نظيرًا فوتونيًا: تدوير مواد بصريّة مصطنعة لإعادة تشكيل سلوك الضوء. في زوج ملتف من الأغشية شبه الموصلة المنقوشة، ينتج الاختلاف بين شبكتيهما نمطًا أكبر يتغير ببطء يُسمى شبكة موجية (مواري) فوقية. والأهم من ذلك أن هذه البنية المكدسة ذات خواص ذيلية—لا يمكن أن تبدو مطابقة لصورتها المرآتية—لذلك تميز بين اليسار واليمين في تعاملها مع الضوء.

بناء ليزر ملتف صغير

صمم الفريق ورقتين شبه موصلة متطابقتين مثقبتين، كل منهما مثقبة بمصفوفة مربعة من الثقوب الدائرية. تعمل هذه الأوراق كميتاسيرفس، هياكل تحبس وتوجه الضوء في طبقات رقيقة جدًا. عبر تدوير الطبقة العلوية بما يزيد قليلًا عن 22 درجة بالنسبة للطبقة السفلية مع إبقائهما متباعدتين بمقدار 100 نانومتر فقط، أنشأوا جهازًا ثنائي الطبقة ملتفًا يدعم رنينات موجهة خاصة — أمواج ضوئية تدور داخل الأغشية لكنها يمكن أن تتسرّب عموديًا. تم هندسة المادة لتعزيز الضوء في حزمة الأطوال الموجية المستخدمة في الاتصالات حول 1550 نانومتر، نفس النطاق المستخدم في الألياف الضوئية، مما يجعل الجهاز ذا أهمية تكنولوجية.

كيف يبدأ الضوء بالالتفاف

لتحويل البنية إلى ليزر، يسلط الباحثون شعاع ضخ دائري على الجهاز. يُنشئ هذا الضخ منطقة دائرية حيث يكسب المادة القدرة على تضخيم الضوء بقوة أكبر، مكوّنًا فعليًا تجويفًا لينًا يشبه العدسة لا يفضّل أي اتجاه أو يدوية محددة بالمرة. داخل هذا التجويف يمكن لموجات الضوء الدوران حول المركز باتجاه عقارب الساعة أو عكسها، مثل السيارات على طريق دائري. في نظام متماثل تمامًا وغير ملتف، تكون هاتان الاتجاهان متكافئتين. لكن في الثنائي الملتف، تؤدي التلاقحات الطفيفة المعتمدة على الاتجاه بين الطبقتين، مع المكاسب والخسائر التي لا مفر منها، إلى تفضيل نمط دوراني واحد على الآخر. ينتظم النظام بطبيعته بحيث يهيمن وضع دوراني ذي يدية معينة عند بدء الانبعاث الليزري.

رؤية الحزمة الحلزونية

تجريبيًا، يشتغل الليزر فجأة عندما تصل شدة الضخ إلى عتبة معينة، منبعثًا في نطاقات الاتصالات عبر نافذة طيفية واسعة استثنائية تبلغ نحو 250 نانومتر مع بقائه في وضع مكاني وحيد. تُظهر صور ملف الحزمة حلقة مضيئة مع مركز مظلم — شكل «دونات» كلاسيكي مرتبط بالضوء حامل العزم الزاوي المداري. تكشف قياسات التدخل، حيث تُجعل الحزمة تتداخل مع نسخة مُزاحة من نفسها، أنماطًا من الشُرَف المتشعبة تشبه الشوك. هذه هي البصمات المميزة للدوامة الطورية، مؤكدة أن الحزمة تلتف فعلًا أثناء انتشارها وأن يدّيتها يحددها طابع البنية الذِيلي الداخلي وليس الضخ الخارجي.

ماذا يعني هذا لتقنيات المستقبل

بواسطة تدوير وربط ورقتين من الأغشية الموجّهة للضوء بشكل مدروس، أنشأ الباحثون ليزرًا مجهريًا يصدر ضوءًا ذا لولب مداري مدمج، دون الحاجة لعناصر لولبية إضافية أو تحكّم خارجي معقّد. ببساطة، يحوّل الجهاز ضوء الليزر المستقيم إلى دوامة بصرية قوية مباشرة على الشريحة. يمكن أن تصبح مصادر مدمجة وعالية الجودة للضوء الذِيلي أدوات فعّالة للاستشعار الدقيق، والتحكم بجسيمات دقيقة بواسطة الضوء، وترميز معلومات أكثر داخل حزم الليزر لأنظمة الاتصالات المتقدمة.

الاستشهاد: Wang, M., Lv, N., Zhang, Z. et al. Chiral orbital lasing in a twisted bilayer metasurface. Nat Commun 17, 2369 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69665-w

الكلمات المفتاحية: الفوتونيك متعدد الطبقات الملتف, ليزر حلزوني, عزم زاوي مداري, ميتاسيرفس, حزمة دوامة