ملاحظة إزاحة غوس-هانش تحت سقوط عمودي على شبكات نانوية مائلة من TiO2

ضوء ينزلق جانبياً

عندما يصطدم شعاع مصباح يدوي بمرآة أو نافذة، نتوقع أن ينعكس مباشرة أو يمر عبرها دون انحراف. لكن عند مقاييس صغيرة جداً، يمكن للضوء أن يتصرف بطرق أكثر دقة: فقد ينزلق شعاع منعكس أو ناقل جانبياً لمسافات تقاس بعدد كبير من أطوال الموجة قبل أن يخرج. تُظهر هذه الدراسة كيفية إحداث ذلك الانزلاق الجانبي بشكل درامي، حتى عندما يصطدم الضوء بالسطح مباشرة، باستخدام صفوف مصقولة بعناية من ثاني أكسيد التيتانيوم على مقياس النانو. مثل هذا التحكم في انزياحات الحزم الضوئية الصغيرة قد يكون مفيداً لبناء مفاتيح بصرية ومجسات مدمجة داخل رقائق المستقبل.

لماذا قد يخطئ الضوء المكان

الإزاحة الجانبية لشعاع الضوء عند السطح تُسمى إزاحة غوس–هانش، نسبة إلى العلماء الذين قاموا بقياسها أولاً. في المواد اليومية، تكون هذه الإزاحة ضئيلة — بحجم طول موجة الضوء تقريباً — لذا يصعب كشفها ولا تكون عملية جداً. أوضحت أعمال سابقة أن «الميتاسطوح» الخاصة، وهي أنماط مهندَسة أصغر من الطول الموجي، يمكنها تضخيم هذا التأثير عبر إجبار الضوء على الرنين بقوة أثناء انعكاسه أو مروره. مع ذلك، كانت تقريباً كل التجارب السابقة تتطلب وصول الضوء بزاوية مائلة وليس سقوطاً عمودياً، لأن الشعاع المائل يكسر تماثل المرآة طبيعياً ويسمح بظهور الإزاحة.

إمالة البنية، ليس الشعاع

قلب مؤلفو هذه الورقة المشكلة: بدلاً من إمالة الشعاع الداخل، قاموا بإمالة البنية نفسها. صمموا شَبَكَة أحادية البعد مصنوعة من ثاني أكسيد التيتانيوم، وهو مادة شفافة ذات معامل انكسار مرتفع تُستخدم على نطاق واسع في البصريات. تتكون الشَبَكَة من حواف متوازية ذات فترة أصغر قليلاً من طول موجة الضوء الأحمر. عندما تكون الحواف رأسية تماماً، يكون النمط متماثلاً انعكاسياً ويمكنه احتجاز موجات ضوئية معينة في أوضاع «مقيدة» لا تشع للخارج. عن طريق إدخال ميل طفيف للحواف، يكسرون هذا التماثل برفق. الأوضاع المحتجزة عندها تتسرب بما يكفي للتفاعل بقوة مع الضوء المار، مما ينتج رنيناً حاداً للغاية حيث يقترب النفاذ من نسبة 100% بينما يتغير طور الضوء بسرعة كبيرة مع الاتجاه.

من تدفقات طاقة مخفية إلى إزاحات عملاقة

أظهرت المحاكاة الحاسوبية التفصيلية أن كسر التماثل هذا يولد تدفقات طاقة جانبية قوية داخل الشَبَكَة، حتى عندما يكون الشعاع الداخل موجهًا نحوها بشكل عمودي. عند أطوال موجية قريبة من رنان حول 780 نانومتراً، يصبح التدفق الطولي للطاقة مهيمنًا ويمكن أن تصل إزاحة غوس–هانش المحسوبة إلى مئات طول الموجة — أكبر بكثير مما يحدث عند واجهات عادية. بمحاكاة شعاع ضوئي واقعي بعرض محدود، وجدوا أن الشعاع الناقل يمكن أن ينشطر أو ينعكس اتجاه إزاحته عبر كسور من النانومتر في الطول الموجي، وهو توقيع مباشر للرنان الحاد الذي تخلقه الشبكات النانوية المائلة.

نحت منحدرات نانوية

لتحويل التصميم إلى واقع، طور الباحثون عملية تصنيع دقيقة تعتمد على نحت بالأيونات التفاعلية. بدءًا من رقاقة كوارتز مسطحة مغطاة بطبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم وقناع معدني، استخدموا تقنية الطباعة الإلكترونية لتحديد نمط الشَبَكَة ثم نحتوا الحواف بينما كانت العينة معتدلة الزاوية. من خلال موازنة دقيقة بين النحت الكيميائي والفيزيائي، حققوا جوانب مائلة ناعمة وموحدة دون اللجوء إلى قوالب مخصصة لكل زاوية. أظهرت القياسات على نقاط عديدة عبر العينة أن الفترة والعرض والارتفاع وزاوية الميل تطابقت مع التصميم ضمن نحو واحد في المئة، مما يشير إلى هياكل نانوية قابلة للتكرار على مساحات كبيرة.

رؤية انزلاق الشعاع

لملاحظة الإزاحة الجانبية تجريبياً، أكد الفريق أولاً، عبر قياسات الانعكاس المعتمدة على الزاوية، أن الشَبَكَات المائلة تدعم الرنانات الحادة المتوقعة التي تظهر فقط عندما تكون الحواف مائلة. ثم بنوا إعدادًا للحقول الضوئية حيث أنتجت مصفوفات من الفتحات الصغيرة حزمًا ضيقة شبه متوازية مرت عبر إما طبقة مسطحة من ثاني أكسيد التيتانيوم أو الشَبَكَة المائلة المنقوشة. عند أطوال موجية خارج الرنان، تطابقت نقاط الخروج من كلا العَيّنين. لكن عندما فصل مرشح نطاقي الضوء قرب 780 نانومتراً، تحركت البقعة الخارجة من الشَبَكَة المائلة جانبياً بحوالي خمسة ميكرومترات نسبة إلى الطبقة المرجعية — دليل واضح على إزاحة غوس–هانش عند سقوط عمودي. كانت الإزاحة المقاسة أصغر مما تنبأت به المحاكاة المثالية، على الأرجح لأن مصدر الضوء له عرض طيفي محدود والبُنى الحقيقية انحرفت قليلاً عن الهندسة المثالية.

طرق جديدة لتوجيه الضوء على رقاقة

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه العمل أنه يمكن توجيه شعاع ضوئي جانبياً دون إمالة الشعاع نفسه — فقط عبر تشكيل السطح الذي يمر به إلى حواف مائلة صغيرة. يبرهن المؤلفون على مبادئ التصميم ومسار تصنيع عملي لمثل هذه البنى، ويقيسون مباشرة إزاحة الشعاع الناتجة. يفتح هذا النوع من الضبط إمكانيات جديدة لبناء عناصر بصرية مسطحة لا تتطلب ضبط محاذاة وتدفع الحزم الضوئية بمقادير محكومة، مما يمكّن أجهزة توجيه حزم مدمجة، ومستشعرات على الرقاقة، ودارات نانوفوتونية أكثر مرونة.

الاستشهاد: Ji, X., Wang, B., Pan, R. et al. Observation of Goos-Hänchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO₂ Nanogratings. npj Nanophoton. 3, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00108-6

الكلمات المفتاحية: إزاحة غوس-هانش, شبكات نانوية مائلة, ميتاسطوح, توجيه الحزمة الضوئية, نانوفوتونيكس