مطالعه جدید تأیید میکند که نور میتواند با تکیه بر ساختار داخلی خود، رفتارهایی شبیه به دست چپ و راست از خود بروز دهد. این یافته که توسط محققان بریتانیایی و آفریقایی انجام شده، راه را برای کاربردهای نوین در پزشکی و مخابرات هموار میسازد.
به گزارش سیناپرس، دانشمندان نشان دادهاند نور میتواند بدون هیچ ابزار خارجی خودبهخود پیچ بخورد و دستسانی پیدا کند؛ کشفی شگفتانگیز که میتواند آینده پزشکی، ارتباطات و فناوریهای کوانتومی را دگرگون کند.
پژوهشگران در یک دستاورد علمی تازه نشان دادهاند نور میتواند بدون نیاز به آینه مواد خاص یا لنزهای پیچیده، رفتارهایی پیچیده مانند چرخش و پیچخوردگی از خود نشان دهد؛ کشفی که میتواند نگاه ما به کاربردهای نور در پزشکی، ارتباطات و فناوریهای کوانتومی را تغییر دهد.
در این تحقیق که توسط دانشمندان University of East Anglia در بریتانیا و پژوهشگرانی از آفریقای جنوبی انجام شده مشخص شده است که نور دارای یک ویژگی پنهان و ناشناخته است که به آن اجازه میدهد تنها با تکیه بر ساختار درونی خود به شکلهای خاصی برنامهریزی شود. این یافته نشان میدهد نور میتواند در حین حرکت آزاد در فضا رفتاری موسوم به کایرال یا دستسانی از خود بروز دهد؛ به این معنا که مانند دست چپ و راست دارای دو حالت متفاوت اما مشابه باشد.
کایرالیته یا دستسانی مفهومی کلیدی در علوم مختلف بهویژه شیمی و داروسازی است. بسیاری از مولکولها از جمله ترکیبات دارویی در دو فرم چپدست و راستدست وجود دارند که با وجود شباهت ظاهری میتوانند اثرات کاملا متفاوتی در بدن داشته باشند. برای تشخیص این دو فرم معمولا از نورهای خاصی استفاده میشود که در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد میچرخند.
تا پیش از این تولید چنین نوری نیازمند تجهیزات پیشرفته مانند سطوح مهندسیشده مواد خاص یا لنزهای قدرتمند بود، اما این تحقیق نشان میدهد که نور میتواند بدون این واسطهها و تنها با آمادهسازی مناسب بهطور طبیعی چنین رفتاری را از خود نشان دهد.
به گفته Kayn Forbes نور را معمولا بهصورت خطوط مستقیم در نظر میگیریم اما میتوان آن را به شکلهای ساختارمند نیز ایجاد کرد؛ نوری که شدت شکل و جهت آن بهطور دقیق تنظیم شده است.
نور پیچخورده و چرخان
یکی از نمونههای خاص نور ساختارمند نوری است که هنگام حرکت به شکل مارپیچ یا پیچخورده درمیآید و چیزی به نام گردابه نوری (Optical Vortex) را تشکیل میدهد. این نوع نور میتواند اطلاعات را در هر پیچ خود حمل کند و برای فناوریهایی مانند اینترنت پرسرعت، ارتباطات امن و حسگرهای پیشرفته بسیار ارزشمند است.
نور همچنین میتواند در حین حرکت اسپین یا چرخش داشته باشد که این چرخش نیز میتواند چپدست یا راستدست باشد. پیشتر تصور میشد تعامل میان این دو ویژگی (پیچخوردگی و چرخش) بسیار ضعیف است و تنها در شرایط آزمایشگاهی خاص قابل مشاهده است، اما در این پژوهش مشخص شد اگر نور در یک حالت متعادل خاص آماده شود این چرخش میتواند بهطور طبیعی و در حین حرکت در فضای خالی پدیدار شود.
به گفته Light Mkhumbuza نور در ابتدا هیچ چرخشی ندارد اما با حرکت به جلو، نواحی چرخان در آن ظاهر میشوند؛ گویی این ویژگی از ابتدا پنهان بوده و سپس آشکار میشود.
نقش توپولوژی در رفتار نور
دانشمندان توضیح میدهند که این پدیده به شاخهای از ریاضیات به نام توپولوژی مربوط است؛ علمی که ویژگیهای پایدار اشیاء را حتی در صورت تغییر شکل بررسی میکند.
Isaac Nape در این باره توضیح میدهد: برای درک توپولوژی تصور کنید یک فنجان و یک دونات را بدون پاره شدن تغییر شکل دهید؛ هر دو یک حفره دارند و از نظر توپولوژیکی مشابهاند.
به گفته او نور نیز نوعی امضای توپولوژیک پنهان در ساختار قطبش خود دارد که هنگام حرکت حفظ میشود و تعیین میکند نور چگونه تکامل پیدا کند. این ساختار درونی باعث میشود رفتار چرخشی نور بهتدریج ظاهر شود.
پیامدهای فناورانه؛ از پزشکی دقیقتر تا اینترنتهای پرظرفیت
این کشف میتواند مسیر توسعه فناوریهای مبتنی بر نور را بهطور جدی تغییر دهد چرا که برای نخستینبار امکان کنترل رفتارهای پیچیده نور بدون اتکا به تجهیزات پیچیده فراهم شده است. در حوزه پزشکی و داروسازی این ویژگی میتواند به طراحی آزمایشهای بسیار سادهتر، اما دقیقتر منجر شود؛ بهویژه در تشخیص تفاوت میان مولکولهای چپدست و راستدست که نقشی حیاتی در ایمنی داروها و شناسایی بیماریها دارند. در نتیجه فرآیندهای تشخیصی میتوانند سریعتر، ارزانتر و در دسترستر شوند.
در بخش ارتباطات این قابلیت به دانشمندان اجازه میدهد اطلاعات را نه فقط در شدت یا طول موج نور بلکه در حالتهای پیچخورده و چرخشی آن نیز کدگذاری کنند. چنین رویکردی میتواند ظرفیت انتقال داده را بهطور چشمگیری افزایش داده و همزمان امنیت ارتباطات بهویژه در شبکههای کوانتومی آینده، را تقویت کند. به بیان ساده یک پرتو نور میتواند چندین لایه اطلاعات را بهصورت همزمان حمل کند.
از سوی دیگر در حوزه حسگرها و فناوریهای زیستی این نوع نور ساختارمند میتواند به ابزارهایی کوچک، کمهزینه و بسیار حساس برای شناسایی مواد شیمیایی و زیستی تبدیل شود؛ ابزارهایی که حتی خارج از آزمایشگاههای پیشرفته نیز قابل استفاده خواهند بود.
همچنین در مقیاسهای بسیار کوچک مانند نانوفناوری این امکان وجود دارد که از نور برای جابهجایی، چرخاندن یا کنترل ذرات، سلولها و مولکولها استفاده شود؛ آن هم بدون تماس فیزیکی.
به نقل از برنا، در نهایت یکی از مهمترین پیامدها به فناوریهای کوانتومی مربوط میشود. استفاده از ویژگیهای توپولوژیک نور میتواند به محافظت بهتر از اطلاعات کوانتومی در برابر نویز و اختلال کمک کند؛ مسئلهای که یکی از چالشهای اصلی در توسعه این فناوریهاست.
به این ترتیب این کشف نهتنها درک ما از نور را عمیقتر میکند، بلکه میتواند زیرساخت نسل آیندهای از فناوریهای پیشرفته را نیز فراهم کند.