الإلكترونيات الكمومية (الكوانتية)
الكترونيات كموميه (كوانتيه)
Quantum electronics - Electronique quantique
الإلكترونيات الكمومية (الكوانتية)
سليمان سليمان
الإلكترونيات الكمومية quantum electronics هي أحد مجالات الفيزياء الذي يشمل دراسة طرق تضخيم الأمواج الكهرطيسية وتوليدها وتحوير تردداتها في مجالٍ واسعٍ من أطوال الموجة، ويتضمن ذلك المجالين الراديوي والمرئي؛ بالاعتماد على الإشعاع القسري induced radiation أو ما يسمى بالإشعاع المحثوث stimulated emission أو التأثير المتبادل اللاخطي بين الإشعاع والمادة. ويؤدي الإصدار الإشعاعي القسري والتغذية الراجعة الإيجابيةpositive feedback دوراً أساسياً في الإلكترونيات الكمومية.
تنبأ اينشتاين Einstein في عام 1917 بالإصدار القسري، واقترح فابريكانت Fabricant في عام 1940استخدامه في تضخيم الضوء، لكن هذا الاقتراح لم يأخذ حقه من التقويم والتطوير في حينه. ويعود تاريخ نشوء الإلكترونيات الكمومية إلى عام 1954 عندما قام فريقان من العلماء السوﭭييت والغربيين - كلٌّ منهما على حدة - بتصميم مولّد كمومي وتنفيذه على جزيئات NH3 وفق المستويات الطاقية، وتحققت الرابطة العكسية باستخدام المجاوب الحجمي. ووضعت طريقة تحقيق عكس الإسكان inverted population باستخدام الضخ pumping الكهرطيسي -التي اقترحها العالمان باسوڤ وبروخوروڤ Basov & Prokhorov في عام 1955 - اللبنة الثانية في بناء الإلكترونيات الكمومية بوصفه مجالاً مهماً من مجالات الفيزياء. وعلى أساس هذه الطريقة صُمّمت المضخّمات الكمومية ذات المغنطيسية المسايرة – من قبل سكوڤيل Skovil في عام 1957 في الولايات المتحدة الأمريكية - والليزر الياقوتي من قبل ميمان T.H. Maiman في عام 1960 وغيره من الليزرات الصلبة، كما صُمّم الليزر الغازي بمزيج الهليوم والنيون من قبل جا ﭬان A.Javan في عام 1961 حيث تحقق عكس الإسكان لذرات النيون بإعطائها الطاقة من ذرات الهليوم المثارة عن طريق صدم الإلكترونات لها الناجمة عن الانفراغ الغازي، وبعدئذٍ جرى تصميم الليزر نصف الناقل من قبل باسوڤBasov في الاتحاد السوﭬييتي في عام 1961، وفي عام 1962 في الولايات المتحدة الأمريكية من قبل العالمين هال ودومك Hall & Dumke.
تستطيع المادة - في الشروط الطبيعية- امتصاص الفوتونات أو إصدارها تلقائياً وعشوائياً وفقاً لتوزّع بولتزمن Boltzmann لجسيمات المادة على المستويات الطاقية. والإصدار emission القسري في هذه الحالة مهمل، ويصير هذا الإصدار محسوساً عند انحراف مجموعة الجسيمات المِكروية في المادة عن توزّع بولتزمن. ويمكن أن يحصل هذا الانحراف بتطبيق حقل كهرطيسي أو صدم إلكتروني أو تبريد غير متوازن أو حقن حوامل الشحنة عبر الحاجز الكموني وغيرها، وبنتيجة هذه التأثيرات- أي أشكال الضخ المختلفة- ينخفض امتصاص المادة للأمواج الكهرطيسية.
وعند تساوي الإسكان على المستويات الطاقية الخاضعة لشروط الضخ تتساوى شدة الإشعاع الممتص مع شدة إشعاع الإصدار القسري ويعدم أحدهما الآخر، وعندئذٍ تنتشر الموجة الكهرطيسية ذات التردد المتجاوب (الرنيني) resonance مع تردد الانتقال بين هذه المستويات الطاقية في المادة من دون امتصاص، وتُعرف هذه الحالة بحالة إشباع الانتقال.
وعند الرفع اللاحق لاستطاعة الضخ يحصل عكس إسكان المستويات الطاقية الخاضعة للضخ؛ أي يصبح عدد الجسيمات على المستويات الطاقية العليا أكبر من عدد الجسيمات على المستويات الطاقية الدنيا، وفي هذه الحالة تصبح شدة إشعاع الإصدار القسري أعلى من شدة إشعاع الامتصاص التجاوبي، وتسمى المادة التي يحصل فيها عكس الإسكان بالوسط الفعّال active medium، وبنتيجة الإصدار القسري تظهر فوتونات تتوافق تماماً من حيث التردد والطور والاتجاه والاستقطاب مع فوتونات الحقل القسري، ولهذا السبب يجري تضخيم الموجة مع مرورها عبر الوسط الفعال. وهكذا يظهر تضخيم الأمواج الكهرطيسية في الإلكترونيات الكمومية على حساب الطاقة المقدّمة للمادة خلال عملية الضخ، وتُعرف قيمة استطاعة الضخ التي يظهر فيها التضخيم الكمومي بعتبة التضخيم.
ولإثارة التوليد يجب وضع المادة ذات الأهلية المعكوسة في نظام يوفر التغذية الراجعة الإيجابية، ولعل أبسط نظامٍ يحقق التغذية الراجعة في المجال الراديوي هو المجاوب الحجمي، ويُستخدم المجاوب المفتوح، وعلى الخصوص مجاوب فابري-بيرو Fabry-Perot لتحقيق تلك الرابطة في المجال البصري.
ينعكس الحقل الكهرطيسي المتولّد داخل هذا المجاوب مراتٍ عديدة على السطوح العاكسة (المرايا) لهذا المجاوب؛ مارَّاً كل مرةٍ عبر الوسط الفعال ومكتسباً تضخيماً إضافياً نتيجة للإصدار القسري.
ويحصل التوليد إذا زاد تضخيم الإشعاع- خلال انعكاسين على المرايا وعبورين من الوسط الفعال- على ضياع الإشعاع خلال مدة هذا الانتقال. ولكي يتحقق التوليد يجب على المجاوب أن يكون مضبوطاً للتجاوب مع تردد الانتقال بين المستويين الطاقيين حيث الإسكان المعكوس. وتُعرف الحالة التي تكون فيها الطاقة المنبعثة في المجاوب على حساب الإصدار القسري مساوية لمجموع الضياعات الطاقية في المجاوب بعتبة التوليد.
وإذا زادت الطاقة على عتبة التوليد؛ فإن قسماً من الطاقة الكهرطيسية المتولّدة يخرج من المجاوب عبر مرآته نصف الشفافة (معامل الانعكاس أقل من 1).
ظهرت الإلكترونيات الكمومية بادئ الأمر في مجال الأمواج الراديوية 
، لكنها تطوّرت لاحقاً في المجال البصري بغية التوليد؛ ثم تضخيم الإشعاع المترابط. وقاد لاحقاً تفاعل الإشعاع الليزري الشديد مع المادة إلى تطوير اتجاهات جديدة في البحث والتطبيق، كان منها دراسة العمليات غير الخطية المرافقة لانتشار الإشعاع في الأوساط المادية حيث تتغير قرينة الانكسار بتأثير الإشعاع.
ويُعدّ علم القياس من المحاور المهمة للإلكترونيات الكمومية، إذ وُضعت الترددات المعيارية لأجهزة القياس المغنطيسية الكمومية وقائس المسافات الليزري وأجهزة التحليل من بُعد. كما أن الترابط العالي للإشعاع الليزري سمح بتحقيق مفهوم التصوير المجسم (الهولوغرافيا holography) وتصميم مجموعة متكاملة من الأجهزة الهولوغرافية وتنفيذها.
كما سمح الترابط العالي والتوجيه الدقيق للإشعاع الليزري بالحصول على شدة طاقية عالية عن طريق محرقة النبضات الليزرية في حجوم من مرتبة طول موجة الإشعاع الليزري، وهذا ما سمح بدراسة البلازما الحارة جداً في التفاعلات النووية الموجهة.
وسمحت مواصفات الإشعاع الليزري الأحادية اللون والاستطاعة العالية بولادة الكيمياء الليزرية والطرائق الليزرية لفصل النظائر. وتُعدّ تقانات الليزر والطب والمعالجة البصرية للمعلومات والمطيافية الليزرية والتشخيص الليزري للبلازما وغيرها من التطبيقات الأخرى المهمة للإلكترونيات الكمومية.
|
مراجع للاستزادة: - S. Imre, L. Gyongyosi, Advanced Quantum Communications: An Engineering Approach, John Wiley and Sons, 2012. - D. Klyshko, M. Chekhova, S. Kulik, Physical Foundation of Quantum Electronics, World Scientific, 2011. - D. Sullivan, Quantum Mechanics for Electrical Engineers, John Wiley and Sons, 2012. - M. J. Weber, Handbook of Laser Wavelengths, CRC Press, 1999. |
- التصنيف : الهندسة الالكترونية - النوع : الهندسة الالكترونية - المجلد : المجلد الثالث مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
