هل يمكن أن تصدر هوائيات الراديو الضوء المرئي

هوائيات الراديو يمكن أن تبعث الضوء المرئي, ولكن ربما ليس بالطريقة التي تفكر بها. إذا قمت بضخ طاقة كافية في هوائي راديو, يمكنك تسخينه حتى يتوهج وينبعث منه الضوء المرئي من خلال عملية الإشعاع الحراري. ومع ذلك, لا يمكن لهوائي الراديو العادي أن ينبعث الضوء المرئي الذي يحمل المعلومات, على غرار ما يحدث مع موجات الراديو. هناك, ومع ذلك, الأجهزة الأخرى التي يمكنها القيام بذلك.

كما تعلمت, تأتي الموجات الكهرومغناطيسية بعدة ترددات مختلفة, من الراديو, الأشعة تحت الحمراء, مرئي, والأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة السينية وأشعة جاما. الضوء الأحمر المنبعث من عصا التوهج هو في الأساس نفس موجة الراديو المنبعثة من جهاز توجيه Wi-Fi الخاص بك. وكلاهما موجات كهرومغناطيسية. الضوء الأحمر له تردد أعلى بكثير من موجة الراديو (التردد هو مقياس لعدد الدورات التي تكملها الموجة في كل ثانية). لأنهم في الأساس نفس الشيء, قد تميل إلى استنتاج أنه يمكنك الحصول على هوائي راديو ينبعث منه ضوء مرئي يتم التحكم فيه ببساطة عن طريق زيادة تردد الدائرة التي تشغل الهوائي. في حين أن هذا يبدو منطقيا للوهلة الأولى, واقع الخصائص المادية للهوائيات يعيق الطريق. يعمل هوائي الراديو باستخدام دوائر كهربائية لدفع الإلكترونات إلى أعلى وأسفل الهوائي, مما يتسبب في تحرك المجالات الكهربائية للإلكترونات لأعلى ولأسفل أيضًا. ثم تنتقل هذه المجالات الكهربائية المتذبذبة بعيدًا على شكل موجات راديو كهرومغناطيسية. تردد موجة الراديو يساوي التردد الذي تدفع به الإلكترونات إلى أعلى وأسفل الهوائي.

يصدر هوائي الراديو النموذجي لجهاز توجيه Wi-Fi موجات راديو يبلغ ترددها 2.4 غيغاهرتز (2.4 مليار دورة في الثانية), والذي يتوافق مع الطول الموجي 12.5 سم. بشكل عام, يصدر هوائي الراديو موجات بكفاءة أكبر عندما يكون طوله مساويًا للطول الموجي لموجة الراديو, أو إلى نصف أو ربع الطول الموجي. لذلك لا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن الهوائيات الموجودة على جهاز توجيه Wi-Fi الخاص بك موجودة 12.5 سنتيمترات طويلة. في المقابل, الطول الموجي للضوء الأزرق حوالي 470 نانومتر. لإعطائك فكرة, وهذا أصغر بمئة مرة من أصغر خلية في جسمك. الضوء الأزرق له طول موجي يبلغ حوالي 300,000 مرات أصغر من موجة راديو Wi-Fi. إن هوائي الراديو ذو الحجم العادي هو ببساطة أكبر من أن ينبعث منه الضوء المرئي بكفاءة بسبب عدم تطابق الحجم, حتى لو تمكنا من التغلب على المشاكل المادية. قد تظن أنه بإمكاننا تقليل حجم الهوائي ليتناسب مع الطول الموجي للضوء المرئي, ولكن مثل هذا الهوائي يجب أن يكون فقط 1000 الذرات طويلة. إن صنع مثل هذا الهوائي الصغير أمر صعب, لكنه ليس مستحيلا. إن المجال الناشئ للهوائيات النانوية البلازمية ينجز هذه المهمة بالذات, كما سأناقش في نهاية هذا المقال. حتى لو نجحت في صنع مثل هذا الهوائي الصغير, لا تزال بحاجة إلى بناء دائرة إلكترونية يمكنها دفع الإلكترونات إلى أعلى وأسفل الهوائي بالتردد الصحيح. تردد الضوء الأزرق حوالي 640 تيراهيرتز (640 تريليون دورة في الثانية). يمكن للدوائر الإلكترونية أن تقود فقط التيارات الكهربائية التي تتأرجح في أحسن الأحوال بمئات جيجاهرتز (مئات المليارات من الدورات في الثانية الواحدة). إذا حاولت أن تذهب أعلى, تتوقف الدوائر الإلكترونية عن العمل بسبب تغير الخواص المادية لمكونات الدائرة.

حتى لو تمكنت من صنع هوائي راديو صغير بما يكفي ليتناسب مع الطول الموجي للضوء الأزرق وتمكنت من إنشاء جهاز يمكنه دفع الإلكترونات على تردد الضوء الأزرق, لا تزال هناك مشكلة رئيسية واحدة تعترض الطريق: التركيب الذري لمادة الهوائي. لتذبذبات الإلكترون ذات الطول الموجي الكبير, تبدو مادة الهوائي موحدة وتفتقر إلى مقاومة كبيرة. في المقابل, للتذبذبات النانوية, من الأرجح أن تصطدم الإلكترونات بالذرات وتفقد طاقتها لصالح الذرات قبل أن تتاح لها فرصة انبعاث طاقتها على شكل ضوء. يتم نقل الحركة المنظمة للإلكترونات بسرعة إلى حركة مضطربة للذرات. مجهريا, نقول ذلك عندما يكون التردد مرتفعًا جدًا, يتم تحويل معظم الطاقة الكهربائية إلى حرارة مهدرة قبل أن تتاح لها الفرصة للانبعاث على شكل ضوء.

وبالتالي فإن العقبات الرئيسية الثلاثة هي: الحجم الصغير اللازم للهوائي, صعوبة إيجاد طريقة لدفع الإلكترونات بترددات عالية, وميل الإلكترونات عالية التردد إلى فقدان طاقتها للحرارة. ويمكن التغلب على هذه العقبات إلى حد ما باستخدام ثلاثة أساليب مختلفة: (1) حبس الإلكترونات في أجزاء صغيرة, حالات ذرية/جزيئية موضعية حيث لا يمكنها الاصطدام بالذرات بنفس القدر ومن ثم دفع تذبذبات الإلكترون باستخدام حقيقة أنها تتأرجح بشكل طبيعي عند الانتقال بين الحالات, (2) إطلاق الإلكترونات عبر الفراغ بسرعة عالية عبر المغناطيس, و (3) بناء مقياس النانو, هوائيات ذات شكل دقيق وتحرك تذبذبات الإلكترون باستخدام الضوء الساقط.

الطريقة الأولى هي بالضبط كيفية عمل الليزر التقليدي. يتم اختيار المواد حيث يتم حبس إلكترونات معينة في حالات مفيدة. يتم تحفيز الإلكترونات إلى حالات جديدة ثم يتم تحفيزها لتعود إلى حالتها الأصلية. بدلا من التأرجح ذهابا وإيابا بين نقطتين في الفضاء, تتأرجح الإلكترونات الموجودة في الليزر التقليدي ذهابًا وإيابًا بين حالتين ذريتين/جزيئيتين. يسمح هذا النوع المختلف من الاهتزاز بأن يكون تردد التذبذب مرتفعًا ويساعد على منع الإلكترونات من الاصطدام بالذرات, وبالتالي تفقد طاقتها للحرارة. ولا تزال مشكلة اصطدام الإلكترونات بالذرات مشكلة في الليزر (ويسمي العلماء هذا التأثير “انبعاث الفونون”), لكنها ليست عقبة لا يمكن التغلب عليها. لأن الليزر هو مصادر خاضعة للتحكم للضوء المرئي, ويمكن استخدامها لإرسال معلومات مشابهة لكيفية نقل موجات الراديو للمعلومات. في الواقع, تحتوي كابلات الألياف الضوئية على أشعة ضوئية تحمل المعلومات والتي تم إنشاؤها بواسطة الليزر (بالرغم من, تستخدم معظم الألياف الضوئية ضوء الأشعة تحت الحمراء بدلاً من الضوء المرئي لأسباب تتعلق بالكفاءة). يمكن أيضًا استخدام الليزر لإرسال الضوء المرئي الذي يحمل المعلومات عبر الفضاء الحر. يُسمى هذا الإعداد بالاتصال اللاسلكي البصري.

الطريقة الثانية هي كيفية عمل ليزر الإلكترون الحر. في هذه الحالة, يتم إطلاق الإلكترونات عبر الفراغ بسرعة عالية جدًا ثم يتم تطبيق سلسلة من المغناطيسات لجعل الإلكترونات تهتز ذهابًا وإيابًا بتردد عالٍ, وبالتالي ينبعث منها الضوء المرئي. ليزر إلكترون حر مصمم لإجبار الإلكترونات على الاهتزاز 640 سوف ينبعث T هرتز بالفعل الضوء الأزرق بطريقة يمكن التحكم فيها. نظرًا لأن ليزر الإلكترون الحر يحتاج إلى غرف مفرغة ومسرعات إلكترون عالية الطاقة لتعمل, يتم استخدام ليزر الإلكترون الحر في الغالب في بيئة المختبر.

الطريقة الثالثة هي كيفية عمل الهوائيات النانوية البلازمونية. من بين جميع الأجهزة التي ينبعث منها الضوء المرئي بطريقة متحكم فيها, الهوائيات النانوية البلازمونية هي الأقرب إلى هوائيات الراديو التقليدية. النانو البلازموني هو مقياس نانوي, هوائي معدني ذو شكل دقيق يحتوي على رنين بلازما متحمس فيه (تذبذبات الإلكترون المجمعة). نظرًا لأن الهوائيات النانوية البلازمونية تعتمد على الإلكترونات التي تتحرك ذهابًا وإيابًا بين نقطة في الفضاء وأخرى تمامًا مثل هوائيات الراديو التقليدية, لا يزال الفقد الحراري يمثل مشكلة كبيرة عندما تعمل بترددات الضوء المرئي. لهذا السبب, لا تزال الهوائيات النانوية البلازمونية الضوئية شذوذًا مختبريًا وليست مصادر عملية للضوء المرئي المتحكم فيه. منذ أن أصبحت أجهزة الليزر رخيصة بشكل متزايد, صغير, و موثوق, لا يوجد حقًا دافع لتطوير هوائيات نانوية بلازمونية لإصدار الضوء المرئي الذي يحمل المعلومات. علاوة على ذلك, لأن الدوائر الإلكترونية لا يمكن أن تعمل بالترددات الضوئية, لا يمكن إثارة الهوائيات البلازمونية النانوية عن طريق توصيلها بدائرة إلكترونية. يجب أن يكونوا متحمسين من خلال تعرضهم للضوء الساقط. في هذا الطريق, لا تشبه الهوائيات النانوية البلازمية الهوائيات التقليدية على الإطلاق. هم أشبه بأشياء متناثرة.

لاحظ أن هناك العديد من الطرق الأخرى لإنشاء الضوء المرئي; حرائق, المصابيح المتوهجة, مصابيح الفلورسنت, أنابيب تفريغ الغاز, التفاعلات الكيميائية; لكن أيًا من هذه الطرق لا تخلق ضوءًا مرئيًا بطريقة يمكن التحكم فيها (أي. ضوء مرئي متماسك) بحيث يمكن حمل الكثير من المعلومات على موجات الضوء, كما هو الحال مع موجات الراديو.

ائتمان:HTTPS://wtamu.edu/~cbaird/sq/2015/10/02/can-radio-antennas-emit-visible-light/