چرا دوربین روی تلفن هوشمندمان را مدیون «اینشتین» هستیم؟
اثر فوتوالکتریک، فناوریهایی مانند دزدگیرها، صفحات خورشیدی و دوربین گوشی هوشمند ما را شکل داده است و آن چه در مورد این اثر میدانیم را مدیون «آلبرت اینشتین» هستیم.
مهندس، فلاش دوربین را برداشت، آن را به سمت رایانه کوچک روی میز نشانه رفت و شاتر را زد. برای کسری از ثانیه، نور سراسر اتاق را فرا گرفت. همه پلک زدند و سپس متوجه شدند که رایانه از کار افتاده است.
به نقل از وبسایت جایزه نوبل، گروه رزبری پای (Raspberry Pi) به تازگی تایید کرده بود که محصولشان، یک رایانه ارزان قیمت که به مدارس و علاقهمندان به الکترونیک فروخته میشد، از سوژه عکس شدن خوشش نمیآید؛ دستکم زمانی که عکس با یک فلاش بزرگ زنون گرفته شود.
ابن آپتون، بنیانگذار رزبری پای، میگوید: همه ما از این که توانستیم آن را از کار بیندازیم، حسابی سرگرم شدیم.
آنها متوجه شده بودند که یکی از تراشههای رایانه نسبت به اثر فوتوالکتریک حساس است؛ پدیدهای که در آن نور باعث آزاد شدن الکترونها و در نتیجه ایجاد جریان الکتریکی میشود. اگر بخواهیم ساده بگوییم، نوعی «کلید برق معکوس» است.
آپتون و همکارانش انتظار چنین مشکلی را نداشتند. این نقص کمتر از یک هفته پس از عرضه رزبری پای ۲ در اوایل سال ۲۰۱۵ توسط یکی از کاربران کشف شد. در نسخههای بعدی این رایانه، روی تراشه دردسرساز پوششی سیاه و به اندازه کافی ضخیم قرار داده شد تا نور ورودی را جذب کند.
بیش از یک قرن پیش از آن، آلبرت اینشتین در مقالهای پیشگامانه اثر فوتوالکتریک را توصیف کرده بود؛ در یکی از چهار مقاله بنیادینی که او در سال ۱۹۰۵، زمانی که کارمند اداره ثبت اختراعات سوئیس بود، منتشر کرد. او بعدها در سال ۱۹۲۱ به خاطر این دستاورد جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد و آن را در سال ۱۹۲۲ تحویل گرفت.
اثر فوتوالکتریک بعدها در شکلگیری طیف گستردهای از فناوریها نقش اساسی ایفا کرد؛ از دزدگیرهای ضدسرقت گرفته تا پنلهای خورشیدی و دوربین گوشی هوشمند شما.
پدیدههای عجیب
برای درک بهتر این موضوع، باید به پرسشی بازگردیم که ذهن اینشتین را در سال ۱۹۰۵ به خود مشغول کرده بود: نور از چه ساخته شده است؟
در آن زمان بسیاری از دانشمندان معتقد بودند که نور صرفا یک موج است؛ موجی که به باور برخی در سراسر جهان از طریق «اتر نورانی» نامرئی حرکت میکند. اما اینشتین این ایده را مضحک میدانست.
استیو گیمبل از کالج گتیزبرگ آمریکا میگوید: از نظر اینشتین، این مفهوم چیزی شبیه وجود بابانوئل بود.
دانشمندانی از جمله «هاینریش هرتز» پیشتر نمونههایی از اثر فوتوالکتریک را نشان داده بودند؛ آنها با استفاده از نور جرقههای کوچکی ایجاد میکردند یا قطعاتی از ورقه طلایی را از نظر الکتریکی باردار میکردند تا یکدیگر را دفع کنند.
گیمبل میگوید: برخی پدیدههای عجیب و توضیحناپذیر وجود داشت که در آنها نور میتوانست برق تولید کند و این موضوع ذهن دانشمندان را کاملا متحیر کرده بود، زیرا ظاهرا هیچ منطقی نداشت.
عجیبترین نکته این بود که شدت نور بر انرژی الکترونهای تولیدشده تاثیری نداشت، اما فرکانس یا رنگ نور تأثیرگذار بود. این موضوع واقعا گیجکننده بود. مگر نه این که نور بیشتر باید به معنای انرژی بیشتر باشد؟ اما اینشتین دریافت که اگر نور فقط از موج تشکیل نشده باشد و علاوه بر آن شامل بستهها یا ذرات مجزایی باشد که بعدها «فوتون» نام گرفتند، آنگاه انرژی همین ذرات منفرد میتواند توضیح این پدیده باشد.
پل دیویس از دانشگاه یورک توضیح میدهد: وقتی یک فوتون به یک الکترون برخورد میکند، آن را برانگیخته میکند. اگر آن فوتون انرژی کافی داشته باشد، اثر فوتوالکتریک رخ میدهد و الکترون از ماده آزاد میشود.
برای تصور بهتر، فرض کنید چوبهای کوچک دینامیت را داخل یک بشکه باز پر از گلولههای توپ پرتاب میکنید. انفجارهای کوچک، هرچقدر هم تکرار شوند، توان بیرون انداختن گلولهها را ندارند. اما اگر از دینامیتی قویتر و پرانرژیتر استفاده کنید، گلولهها به بیرون پرتاب خواهند شد.
مقدار انرژی یک فوتون مستقیما با رنگ نور مرئی ارتباط دارد. برای مثال، فوتونهای نور آبی روی طول موجهای کوتاهتر حرکت میکنند و انرژی بیشتری نسبت به فوتونهای نور قرمز دارند. به همین دلیل هرتز در یکی از آزمایشهای خود مشاهده کرد که نور فرابنفشِ بسیار پرانرژی، جرقههای قویتری ایجاد میکند.
گیمبل تاکید میکند که اینشتین این نظریه را از هیچ خلق نکرد. او نه تنها از پژوهشهای هرتز و دیگر دانشمندان بهره گرفت، بلکه از نظریه «کوانتا» فیزیکدان «ماکس پلانک» نیز الهام گرفت؛ نظریهای که بر اساس آن، تابشها از جمله نور از بستههای مجزای انرژی تشکیل شدهاند. پلانک نیز بعدها در سال ۱۹۱۸ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. با این حال، در سال ۱۹۰۵ این ایده هنوز بسیار بحثبرانگیز و جنجالی بود.
کار اینشتین بحثبرانگیز بود؛ به ویژه نظریه نسبیت خاص او. برخی از اعضای کمیته نوبل فیزیک در آن زمان درباره اعطای جایزه به او تردید داشتند و هنگامی که سرانجام این جایزه را به او دادند، آن را به خاطر پژوهشهایش درباره اثر فوتوالکتریک اعطا کردند، نه نظریه نسبیت.
دانشمندان سالها درباره این که آیا این بهترین انتخاب بوده است یا نه بحث کردهاند، اما تردیدی وجود ندارد که بهرهبرداری از اثر فوتوالکتریک شیوه کار جهان امروز را تغییر داده است، زیرا فناوریهای بیشماری به آن وابستهاند.
برای مثال، حسگرهای حرکتی در سامانههای دزدگیر، پرتویی از نور فروسرخ منتشر میکنند. هنگامی که یک مزاحم این پرتو را قطع میکند، میزان نوری که به حسگر میرسد، تغییر میکند و در نتیجه جریان الکتریکی دگرگون میشود؛ همین تغییر باعث فعال شدن آژیر هشدار میشود.
از خط پایان المپیک تا خودروهای هوشمند
سلولهای فوتوالکتریک در خطوط پایان مسابقات المپیک برای تشخیص دقیق لحظه عبور دوندگان از خط پایان به کار گرفته شدهاند. این فناوری همچنین به کشتیها امکان داده است مه را تشخیص دهند و به طور خودکار بوق مهکش خود را فعال کنند. علاوه بر این، خودروها را قادر ساخته است هنگام بارش باران، برفپاککنهای خود را به صورت خودکار روشن کنند.
البته از نظر فنی، اثر فوتوالکتریک به پدیدهای گفته میشود که در آن الکترونها از یک ماده خارج میشوند. اما «پل دیویس» توضیح میدهد که این پدیده ارتباط نزدیکی با اثر فتوولتائیک دارد؛ فرایندی که در آن جابهجایی الکترونها باعث عبور جریان الکتریکی از میان مواد مجاور میشود. سلولهای خورشیدی نیز دقیقا از همین اصل استفاده میکنند. آنها نور خورشید را به برق تبدیل میکنند و با تأمین انرژی پاک و تجدیدپذیر برای شبکههای برق، به مقابله با تغییرات اقلیمی کمک میکنند.
حسگرهای سیلیکونی
یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم اثر فوتوالکتریک، حسگرهای دوربین هستند؛ بخش حساس به نور در دوربینهای دیجیتال که وظیفه ثبت تصاویر را بر عهده دارد.
تقریبا همه این حسگرها از فناوری CMOS استفاده میکنند؛ فناوریای که در دهه ۱۹۹۰ در ناسا برای استفاده در مأموریتهای فضایی بهینهسازی شد، اما بعدها در میلیاردها گوشی هوشمند به کار رفت.
اریک فوسام، مهندسی که روی این پروژه کار میکرد، میگوید: حسگر تصویری CMOS را میتوان دستگاهی ایدهآل دانست. در نهایت این فناوری به کاربردی انقلابی دست یافت. سیلیکون ماده اصلی مورد استفاده در حسگرهای CMOS است. فوسام که اکنون در کالج دارتموث فعالیت میکند، توضیح میدهد که اثر فوتوالکتریک در سیلیکون با بسیاری از رنگهای نور فعال میشود. او میگوید: فرقی نمیکند نور سبز باشد، قرمز یا آبی؛ هر فوتون دقیقا یک الکترون آزاد میکند. از این نظر خوششانس هستیم.
این ویژگی زمانی اهمیت پیدا میکند که بخواهیم رنگهای یک سوژه را با جزئیات کامل ثبت کنیم. امروزه بیشتر دوربینهای گوشیهای هوشمند از حسگرهای CMOS استفاده میکنند.
دیدن در تاریکی با شمارش فوتونها
فوسام و همکارانش اکنون روی نسل جدیدی از حسگرهای تصویربرداری کار میکنند که قادرند کوچکترین مقدار قابل تصور نور، یعنی یک فوتون منفرد را تشخیص دهند. این تجهیزات که «شمارشگر فوتون» نیز نامیده میشوند، هماکنون در آزمایشگاههای علمی استفاده میشوند، اما میتوانند فناوریهای تصویربرداری دیجیتال را متحول کنند.
برای مثال، این حسگرها میتوانند کیفیت تصاویر دستگاههای سیتیاسکن پزشکی را بهبود ببخشند و در عین حال میزان تابش دریافتی بیماران را کاهش دهند. اما کاربردهای احتمالی آنها به اینجا ختم نمیشود. فوسام میگوید: با این فناوری جدید، عملا توانایی دیدن در تاریکی را خواهیم داشت.
چشمهای مصنوعی و خودروهای خودران
یکی دیگر از دانشمندانی که روی فناوریهای مبتنی بر اثر فوتوالکتریک کار میکند، دیمیترا جورجیادو از دانشگاه ساوتهمپتون است.
او و همکارانش در حال توسعه فناوریهایی هستند که میتوانند نور را تشخیص دهند و اطلاعات مربوط به آن را بدون نیاز به ارسال دادهها به یک رایانه مرکزی پردازش کنند.
جورجیادو میگوید: این کار مصرف انرژی را بهطور چشمگیری کاهش میدهد. چنین فناوریای میتواند به توسعه چشمهای بیونیکی بسیار پیشرفته کمک کند و از طریق طراحی تجهیزات کوچکتر، کممصرفتر و قابلکاشتتر، امکان بازگرداندن بینایی به افراد نابینا را فراهم کند.
همچنین این فناوری میتواند به خودروهای خودران کمک کند تا در شرایط خطر، تصمیمهای سریعتری برای ترمز گرفتن اتخاذ کنند.
درخشش اسرارآمیز ماه
فناوریهای حسگر نوری که جورجیادو روی آنها تمرکز دارد، برخلاف بسیاری از سامانههای کنونی، بر پایه سیلیکون نیستند؛ بلکه از مواد آلی حاوی کربن ساخته میشوند.
این مواد را میتوان طوری تنظیم کرد که تنها به رنگهای خاصی از نور واکنش نشان دهند و حتی روی بسترهای انعطافپذیر چاپ شوند. برای مثال، چنین فناوری میتواند در حسگرهای پوشیدنی کممصرف به کار رود که با تاباندن مقدار کمی نور از میان پوست و رگها، ضربان قلب و میزان اکسیژن خون نوزادان نارس را پایش میکنند.
از زمانی که اینشتین در سال ۱۹۰۵ نظریه خود درباره اثر فوتوالکتریک را ارائه کرد، انسانها کاربردهای شگفتانگیز فراوانی برای آن یافتهاند. اما داستان به همینجا ختم نمیشود. درک این برهمکنش خارقالعاده میان نور و ماده، جزئیات جالبی را نیز درباره نحوه کارکرد جهان هستی آشکار کرده است.
در دهه ۱۹۶۰، برخی از نخستین فرودگرهای ماه از افق این قمر عکس گرفتند و متوجه پدیدهای عجیب شدند: درخششی مرموز که شبیه غروب خورشیدِ در حال محو شدن بود. اما ماه، برخلاف زمین، جو قابلتوجهی ندارد و این پراکندگی نور توسط ذرات موجود در جو زمین است که هنگام چرخش سیاره، طلوع و غروب خورشید را برای ما پدید میآورد. پس این درخشش ماه از کجا میآمد؟ معلوم شد که نور خورشید به گرد و غبار روی سطح ماه برخورد میکند و از طریق اثر فوتوالکتریک، به آن بار الکتریکی مثبت میدهد.
بنابراین، این ذرات کوچک گرد و غبار یکدیگر را دفع میکردند و به صورت دورهای بر فراز سطح ماه شناور میشدند. با انجام این کار، نور خورشید تازه غروب کرده را به خود جذب میکردند و آن درخشش جادویی را ایجاد میکردند.
نظر شما