هذه الرقاقة هي بحجم ظفر الإصبع وهي مصنوعة على طبقة رقيقة من الليثيوم niobate ويمكن استخدامها لاتصالات البيانات (الإنترنت) أو الاستشعار البيولوجي لأن هذه الشريحة حساسة للتغير البيئي. الائتمان: جامعة RMIT
يتوقع العلماء البارزون في هذا المجال أن رقائق نيوبات الليثيوم ، الرقيقة للغاية ، ستتفوق على رقائق السيليكون في التقنيات القائمة على الضوء. تحتوي هذه الرقائق على مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة ، من اكتشاف الفاكهة الناضجة من مسافة على الأرض إلى توجيه الملاحة على القمر.
وفقًا للعلماء ، فإن البلورة الاصطناعية من الليثيوم niobate هي المنصة المفضلة لهذه التقنيات بسبب أدائها المتفوق والتقدم في تقنيات التصنيع.
جامعة RMIT الأستاذ المتميز ارنان ميتشل و جامعة أديلايد قاد الدكتور آندي بوس هذا الفريق من الخبراء العالميين لمراجعة قدرات الليثيوم نيوبات وتطبيقاته المحتملة في مجلة Science.
الفريق الدولي ، بما في ذلك علماء من جامعة بكين في الصين و جامعة هارفرد في الولايات المتحدة ، تعمل مع الصناعة لإنشاء أنظمة ملاحة تم التخطيط لها لمساعدة المركبات الجوالة على القيادة على سطح القمر في وقت لاحق من هذا العقد.
هذه الرقاقة بحجم ظفر الإصبع وهي مصنوعة على رقيقة فيلم من نيوبات الليثيوم. يمكن استخدامه في مجموعة من التطبيقات ، بما في ذلك في الاتصالات السلكية واللاسلكية لجعل الإنترنت لدينا أسرع. الائتمان: جامعة RMIT
لأنه من المستحيل استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على القمر ، ستحتاج أنظمة الملاحة في المركبات القمرية إلى استخدام نظام بديل ، حيث يأتي ابتكار الفريق.
من خلال اكتشاف التغيرات الطفيفة في ضوء الليزر ، يمكن استخدام رقاقة الليثيوم نيوبات لقياس الحركة دون الحاجة إلى إشارات خارجية ، وفقًا لميتشل.
« هذا ليس خيالًا علميًا – يتم استخدام هذه البلورة الاصطناعية لتطوير مجموعة من التطبيقات المثيرة. وقال ميتشل ، مدير مركز الفوتونات والتطبيقات المتكاملة ، إن المنافسة لتسخير إمكانات هذه التكنولوجيا متعددة الاستخدامات آخذة في الاحتدام.
وقال إنه بينما كان جهاز الملاحة القمرية في المراحل الأولى من التطوير ، كانت تقنية رقائق الليثيوم نيوبات « ناضجة بما يكفي لاستخدامها في التطبيقات الفضائية ».
قال ميتشل: « إن تقنية شرائح الليثيوم نيوبات مرنة أيضًا بما يكفي لتتكيف بسرعة مع أي تطبيق يستخدم الضوء تقريبًا ».
« نحن نركز على الملاحة الآن ، ولكن يمكن أيضًا استخدام نفس التقنية لربط الإنترنت على القمر بالإنترنت على الأرض. »
ما هو الليثيوم نيوبات وكيف يمكن استخدامه؟
نيوبات الليثيوم عبارة عن بلور صناعي تم اكتشافه لأول مرة في عام 1949 ولكنه « عاد إلى عالم الموضة » ، وفقًا لبوز.
قال « ليثيوم نيوباتي له استخدامات جديدة في مجال الضوئيات – علم وتكنولوجيا الضوء – لأنه على عكس المواد الأخرى يمكنه توليد ومعالجة الموجات الكهرومغناطيسية عبر طيف الضوء الكامل ، من الموجات الميكروية إلى ترددات الأشعة فوق البنفسجية ».
كان السيليكون هو المادة المختارة للدوائر الإلكترونية ، لكن قيودها أصبحت واضحة بشكل متزايد في الضوئيات.
« لقد عادت الليثيوم niobate إلى رواج بسبب قدراتها الفائقة ، ويعني التقدم في التصنيع أنها متاحة الآن بسهولة كأغشية رقيقة على رقائق أشباه الموصلات. »
قال بوز إن طبقة من الليثيوم نيوبات أرق بألف مرة من شعرة الإنسان توضع على رقاقة أشباه الموصلات.
يتم طباعة الدوائر الضوئية في طبقة الليثيوم نيوبات ، والتي يتم تفصيلها وفقًا للاستخدام المقصود للرقاقة. قد تحتوي رقاقة بحجم ظفر الإصبع على مئات الدوائر المختلفة.
كيف تعمل تقنية الملاحة القمرية؟
وقال ميتشل إن الفريق يعمل مع شركة Advanced Navigation الأسترالية لإنشاء جيروسكوبات بصرية ، حيث يتم إطلاق ضوء الليزر في اتجاهين في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في ملف من الألياف.
وقال: « عندما يتم تحريك الملف ، تكون الألياف أقصر قليلاً في اتجاه واحد من الأخرى ، وفقًا لنظرية النسبية لألبرت أينشتاين ».
« رقائقنا الضوئية حساسة بدرجة كافية لقياس هذا الاختلاف الضئيل واستخدامها لتحديد كيفية تحرك الملف. إذا كان بإمكانك تتبع تحركاتك ، فأنت تعرف مكانك بالنسبة للمكان الذي بدأت فيه. وهذا ما يسمى بالملاحة بالقصور الذاتي « .
التطبيقات المحتملة أقرب إلى المنزل
يمكن أيضًا استخدام هذه التقنية للكشف عن نضج الثمار عن بُعد.
قال ميتشل: « الغاز المنبعث من الفاكهة الناضجة يمتصه الضوء في الجزء الأوسط من الأشعة تحت الحمراء من الطيف ».
« إن طائرة بدون طيار تحوم في بستان من شأنها أن تنقل الضوء إلى أخرى والتي من شأنها أن تستشعر درجة امتصاص الضوء وعندما تكون الفاكهة جاهزة للحصاد.
« تقنية الرقائق الدقيقة الخاصة بنا أصغر بكثير وأرخص وأكثر دقة من التكنولوجيا الحالية ويمكن استخدامها مع طائرات بدون طيار صغيرة جدًا لن تضر بأشجار الفاكهة. »
الخطوات التالية
قال ميتشل إن أستراليا يمكن أن تصبح مركزًا عالميًا لتصنيع الرقائق الضوئية المتكاملة من نيوبات الليثيوم والتي سيكون لها تأثير كبير على التطبيقات في التكنولوجيا التي تستخدم كل جزء من طيف الضوء.
وقال: « لدينا التكنولوجيا اللازمة لتصنيع هذه الرقائق في أستراليا ولدينا الصناعات التي ستستخدمها ».
« الرقائق الضوئية يمكنها الآن تحويل الصناعات إلى ما هو أبعد من اتصالات الألياف الضوئية. »
المرجع: « فوتونات الليثيوم نيوبات: فتح الطيف الكهرومغناطيسي » بقلم أندرياس بوز ، ولين تشانغ ، وكارستن لانغروك ، ومنغجي يو ، وميان زانغ ، وكيانغ لين ، وماركو لونار ، ومارتن فيجر ، وجون باورز ، وأرنان ميتشل ، 6 يناير 2023 ، علوم.
DOI: 10.1126 / science.abj4396
