دکتر انقطاع به پاس مشارکت‌های پیشگامانه و قابل‌ تقدیرش در حوزه مهندسی اپتیکِ فرامواد، پلاسمونیک‌های نانومقیاس، فرامواد بر پایه مدارهای نانواپتیکی، و تصویربرداری اپتیکی در زمینه‌های پزشکی برنده مدال طلای «اسپای» (SPIE) شده که بالاترین جایزه اهدایی از سوی این انجمن است. اما فعالیت‌های دکتر نادر انقطاع در چه زمینه ای است و به چه دلیل حائز اهمیت هستند.

مجله دانستنیها، در ویژه نامه نوروزی سال قبل خود، گفتگویی با دکتر انقطاع را درباره حوزه فعالیت‌های او منتشر کرده بود که به بهانه خبر اعطای نشان مدال طلای SPIE به وی مجددا در اینجا بازنشر می‌شود.

—
گفتگویی که در ادامه می خوانید، در عصر روزی که صبح آن برندگان جایزه نوبل سال ۲۰۱۴ در رشته شیمی معرفی شدند صورت گرفت. دکتر نادر انقطاع یکی از پیشگامان در حوزه ای است که از آن به فرامواد نام برده می شود و به همراه همکارانش در حال توسعه حوزه ای از علوم به نام متاترونیک است. با او درباره‌ی این حوزه ها صحبت کردم و در طول این گفتگو بود که با شگفتی ها و امکانات بی نظیری که فعالیت های او و همکارانش می تواند برای ما به ارمغان بیاورد پی بردم.
دکتر انقطاع متولد ایران است و کارشناسی خود را از دانشکده فنی دانشگاه تهران اخذ کرد و سپس به ایالات متحده رفت. در آنجا کارشناسی ارشد و دکترای خود را از دانشگاه کلتک (موسسه فناوری کالیفرنیا) دریافت کرد و اکنون صاحب کرسی ندویل رمسی در دانشگاه پنسیلوانیا است. چشم اندازی که در مقابل حوزه تخصصی او قرار دارد او را به همکاری های نزدیکی با رشته های مختلفی چون فیزیک، فناوری نانو، الکترونیک، اپتیک و علوم امواج رادیویی و آنتن ها کشانده است.
گفتگوی زیر مقدمه ای بر کارهای او و گروه تحقیقاتی است که زیر نظر او به کاوش مرزهای نامکشوف علم و فناوری می پردازند. گفتگویی که در تمام لحظاتش شور و علاقه و اشتیاق وی به موضوه و تلاش برای توصیف آن به دیگران مشهود بود.
فعالیت های او بارها از سوی جامعه علمی مورد توجه قرار گرفته است که یکی از موارد آخر آن اهدای مدال طلای اتحادیه جهانی علوم رادیویی به نام مدال طلای بالتازار فون در پُل به او بود که به دلیل مشارکت و نوآوری او در نظریه الکترومغناطیس و کاربردهای مواد ترکیبی، فرامواد، اپتیک های نانومقیاس، تصویر برداری الهاک گرفته از نمونه های زیستی و مدارهای نانومقیاس تشکیل شده از عناصر نوری، اهدا شد

آقای دکتر ممنون از وقتی ‌که در اختیار دانستنیها قرار دادید. شما یکی از پیشگامان درزمینه‌ی ساختارهایی هستید که از آن‌ها به فراماده یا متامتریال نام‌برده می‌شود. متامتریال چیست و چرا مهم است؟
– بیایید برای اینکه بحث را به فرامواد برسانیم ابتدا به سراغ مواد عادی برویم که آن‌ها را می‌شناسیم و با آن‌ها در زندگی روزمره سروکار داریم. این مواد از مولکول‌ها و اتم‌ها ساخته شده‌اند. همان اتم‌هایی که با آن‌ها از دوران مدرسه آشناییم و در جدول عناصر مندلیف فهرست شده‌اند. اگر چنین ماده‌ای را در نظر بگیرید مثلاً یک قطعه طلا، این قطعه از ترکیبی از اتم‌های طلا تشکیل‌شده‌اند که در یک ترکیب و آرایش خاص و مشخص کنار هم قرارگرفته‌اند. این آرایش خاص اتم‌ها در این قطعه است که به این قطعه طلا ویژگی‌های خاص الکترومغناطیسی آن را می‌دهد. به‌عبارت‌دیگر اگر به یک قطعه طلا نگاه کنید، متوجه رنگ زرد آن یا درخشش آن می‌شوید و یا اینکه نور از میان آن عبور نمی‌کند. همه این‌ها به دلیل آرایشی است که اتم‌های تشکیل‌دهنده آن قطعه دارند. برای مثال اگر یک ماده دیگر مثل هیدروژن را در نظر بگیرید. این بار شاهد این هستید که نور از میان آن عبور می‌کند. یا مثلاً اگر سدیم را انتخاب کنید ویژگی‌های ظاهری دیگری را در آن می‌بینید. همچنین وقتی مواد ترکیبی مانند شیشه، چوب یا هر چیز دیگری که از ماده معمولی ساخته‌شده باشد را در نظر می‌گیرید، برخی از ویژگی‌هایی را از خود نشان می‌دهند که به دلیل همان آرایش اتمی مواد تشکیل‌دهنده آن‌ها است. اما همه این مواد، آن‌هایی هستند که طبیعت در اختیار ما قرار داده است؛ یعنی اتم‌ها، مولکول‌ها و ترکیب و آرایشی از آن‌ها که در طبیعت وجود دارد.
اما زمانی که از متامتریال یا فراماده صحبت می‌کنیم، ما به قلمرویی فراتر از این آرایش‌های طبیعی می‌رویم و به سطح جدیدی از نظم و ساختار قدم می‌گذاریم. تصور کنید که مجموعه یا گردآیه‌ای از ساختارهای کوچک را در اختیار دارید مثلاً تعداد زیادی از قطعات کوچک طلا یا هر چیز دیگری که درون ماده دیگری مثل شیشه، تعبیه‌شده است. حالا نگاهی به رفتار موج الکترومغناطیسی – مثلاً موج نور – در واکنش با این ساختار بیندازید.
در یک سطح ما این قطعات کوچک را داریم که در مثال ما از طلا ساخته‌شده است، که ویژگی‌های آن‌ها را در مقابل موج می‌دانیم اما در مقیاسی بزرگ‌تر ما تعداد زیادی از قطعات کوچکی را داریم که با اندازه‌های مشخص، با جدایی‌های مشخص و تعیین‌شده وجود دارد که درون یک ماده میزبان مشخص و در این مثال ما شیشه تعبیه‌شده است؛ بنابراین بسته به‌اندازه و شکل و جدایی و جنس آن قطعات و بلوک‌های کوچکی که شما طراحی و از آن استفاده کرده‌اید این ساختارها می‌تواند رفتار متفاوتی از خود بروز دهد. این موضوع خیلی جالبی است چراکه شما فکر می‌کنید که این ماده‌ای که من در اختیار دارم ترکیبی مثلاً از طلا و شیشه است بنابراین رفتارش باید چیزی بین رفتار این دو ماده باشد اما این‌گونه نیست. با استفاده از یک آرایش و ترکیب مشخص و درست شما می‌توانید ویژگی‌هایی را به دست آورید که نه ویژگی شیشه است و نه ویژگی طلا.
به‌عبارت‌دیگر شما می‌توانید به این روش ویژگی‌هایی را به دست آورید که فراتر از ویژگی‌های طبیعی آن ساختارها و ویژگی‌های طبیعی اجزای تشکیل‌دهنده آن ماده است. این را ما متامتریال می‌نامیم. کلمه متا در لاتین به معنی فراسو است که در فارسی این را فرامواد می‌نامیم؛ بنابراین شما می‌توانید با طراحی دقیق و درست این ساختارهای کوچک به ویژگی‌هایی از رفتار مواد در مقابل موج دست پیدا کنید که به‌طور طبیعی این نوع رفتارهای را در مواد طبیعی نمی‌بینید.
اهمیت این موضوع در این است که هر باری که شما با موج الکترومغناطیسی سروکار دارید ناچار سروکارتان با مواد هم می‌افتد. برای مثال به نوری توجه کنید که اطراف ما قرار دارد. این نوری که از همه اطراف به شما می‌رسد نمونه‌ای از امواج الکترومغناطیس است. وقتی در آَشپزخانه به اجاق مایکرو ویو نگاه می‌کنید بازهم با موج سروکار دارید چون درون این اجاق امواج الکترومغناطیس نقش اصلی را بازی می‌کنند. سوال این است که شما چطور این امواج را کنترل خواهید کرد؟ روش اصلی کنترل کردن این امواج استفاده از مواد است. برای مثال در همان اجاق مایکرو ویو دیواره‌های آن از فلز ساخته‌شده است دلیلش این است که شما می‌خواهید این امواج را درون اجاق به دام بیندازید و مهار کنید و نمی‌خواهید این امواج از اجاق فرار کند و بیرون بیاید. در ارتباطات نوری که به‌واسطه فیبرهای نوری انجام می‌شود درواقع اتفاقی که می‌افتد این است که اطلاعات را بر روی امواج نوری سوار می‌کنند و به‌واسطه کابل‌های نوری به خانه شما می‌فرستد. بدین ترتیب این مواد است که امواج را کنترل می‌کند این مواد هستند که به موج می‌گویند به کدام جهت باید بروند یا چگونه ارتباط برقرار کنند.
حالا اگر شما بتوانید موادی ابتکاری را طراحی کنید که دارای ویژگی‌های خاص و موردنظرتان باشند، کارهای فوق‌العاده جالبی می‌توانید با این امواج الکترومغناطیس انجام دهید.
برای مثال آیا می‌توانید ماده‌ای داشته باشید یا آ ن را طراحی کنید که اجسام را نامریی کند؟ اینکه بتوانیم چنین ماده‌ای را بسازیم، باید اول به این پرسش جواب دهیم که درواقع ما چطور می‌توانیم یک جسم را ببینیم. مثلاً به مجله‌ای که در دست دارید نگاه کنید علت اینکه می‌توانید آن را ببینید این است که نور با سطح آن برخورد کرده و از آن بازتاب پیدا می‌کند و به چشم شما می‌رسد. حالا تصور کنید بتوانید ماده را طراحی کنید که وقتی نور به آن برخورد می‌کند منعکس نشود و بازتاب پیدا نکند بلکه باعث شود تا امواج نوری در اطراف آن ماده خمیده شده، آن را دور بزند و به مسیر خود ادامه دهد. بدین ترتیب نور دیگر از آن سطحی که موردنظر شما است بازتاب پیدا نمی‌کند و شما نمی‌توانید آن جسم را ببینید. همه این‌ها به این بستگی دارد که شما چطور آن ماده را طراحی می‌کنید و همین مسئله است که باعث می‌شود حوزه فرامواد به حوزه‌ای فوق‌العاده جذاب و چشمگیر بدل شود.
یکی از دلیل‌های دیگری که این جذابیت را در سال‌های اخیر افزایش داده است ظهور و توسعه فناوری نانو است. چراکه به کمک نانو فناوری شما عملاً این توانایی را پیدا می‌کنید که آن بلوک‌ها و اجزای سازنده کوچک را در ابعاد و مقیاس و شکلی که می‌خواهید طراحی کنید. درنتیجه می‌توانید آن‌ها را بسیار کوچک در هر شکلی که می‌خواهید و با استفاده از مواد مشخصی که می‌خواهید طراحی کنید درنتیجه شما می‌توانید تعداد زیادی ویژگی جذاب را وارد طراحی خود کنید.
هر نوآوری که در طراحی مواد صورت بگیرد می‌تواند تأثیر چشمگیری و خیره‌کننده‌ای در فناوری‌های موجود داشته باشد دلیلش هم همان است که گفتم. ماده است که به شما اجازه کنترل موج را می‌دهد و این سنگ بنای این حوزه است. ما می‌توانیم ماده‌ای داشته باشیم که به موج بگوید که از میانش عبور کند یا به راست یا به چپ منحرف شود بدون مواد چنین کنترلی امکان ندارد. نور خورشید را در نظر بگیرید که به زمین می‌رسد برای متمرکز کردن آن در یک نقطه شما از یک عدسی باید استفاده کنید که این عدسی از ماده مشخصی ساخته‌شده است که‌موج را کنترل می‌کند. این ماده با آن شکل ویژه است که به موج می‌گوید باید به مقدار مشخصی منحرف‌شده و در یک نقطه متمرکز شود. این مواد –مانند عدسی‌ها – دهه‌ها و قرن‌ها است که در اختیار ما قرار دارد اما اکنون با توجه به اینکه ما قدرت آن را پیداکرده‌ایم که تغییراتی در مقیاس نانو ایجاد کنیم حالا می‌توانیم موادی را تولید کنیم که ویژگی‌های چشمگیر و مؤثرتری نسبت به آنچه در طبیعت وجود دارد از خود بروز دهند. این خلاصه‌ای از این موضوع است که واقعاً بحث فرامواد درباره چیست.

بدین ترتیب نقش اصلی و توانایی ما در ساخت چنین قطعات و المان‌هایی به توانایی ما در دست‌کاری در مقیاس‌های پایین بازمی‌گردد، محدوده توان امروزی ما برای چنین دست‌کاری‌هایی کجا است و تا کجا می‌توان پیش رفت؟
– این موضوع بسیار جذابی در مسیر پیش روی این حوزه است. چراکه هرچقدر توان دست‌کاری ما در ابعاد پایین‌تر بیشتر می‌شود توان طراحی آن بلوک‌های سازنده‌ای که به آن اشاره کردم بیشتر می‌شود و با فناوری چشمگیری‌تری می‌توانیم آن‌ها را طراحی کنیم.
برای اینکه ایده‌ای از فضایی که در آن داریم کار می‌کنیم به شما بدهم بیایید یک مثال را بررسی کنیم. یک تار موی خود را بردارید و به ضخامت آن توجه کنید. ضخامت موی انسان‌ها و من و شما معمولاً چیزی در حدود یک‌دهم میلی‌متر است؛ که معادل یک‌صد میکرون است. هر میکرون یک‌هزارم میلی‌متر است و هر میلی‌متر یک‌هزارم متر است. حالا بیایید و آن تار مو را در نظر بگیرید و ضخامت آن را به ۱۰۰۰ قسمت تقسیم کنید. عددی که به دست می‌آورید، عددی در حدود ۱۰۰ نانومتر است این‌ها محدوده ابعادی هستند که ما می‌توانیم این ساختارها و بلوک‌هایی که درباره آن‌ها صحبت کردیم را طراحی کنیم؛ بنابراین ما با دنیای فوق‌العاده کوچک سرو مار داریم. ما با ابعادی در حد یک‌هزارم قطر مو سروکار داریم یعنی چیزی در حدود ۱۰۰ نانومتر. همین به‌خودی‌خود به شما می‌گوید که برای انجام این طراحی در این ابعاد باید از فناوری پیشرفته نانو فناوری استفاده کنیم امروز ما ابزارهایی راداریم که ما را قادر می‌سازد تا در این مقیاس چنین دست‌کاری‌هایی را به انجام برسانیم.
بنابراین ازنظر ابعاد ما در مقیاس نانو کار می‌کنیم این بازه‌ای از اندازه‌های است که قابلیت انجام کار با آن موجود دارد این کار ساده نیست، اما ممکن است.
روندی که ما در حال حرکت به آن سمت هستیم رفتن به‌سوی انجام این کارها در مقیاسی بسیار کوچک‌تر است. برای اینکه این بازه ابعاد را کمی مشخص‌تر کنیم بیایید یک مثال دیگر را بررسی کنیم اندازه یک اتم به‌طورمعمول چیزی در حد نصف یک نانومتر است بنابراین وقتی درباره ضخامت ۱۰۰ نانومتری فکر می‌کنیم درواقع در حال فکر کردن و کار کردن در بازه چیزی در حدود ۲۰۰ اتم هستیم؛ بنابراین واضح است که هنوز فضای زیادی برای رشد دادن این روند و کم کردن اندازه‌ها وجود دارد. ما این ۲۰۰ اتم را می‌توانیم به ۱۰۰ اتم یا شاید ۵۰ اتم یا ۱۰ اتم و یا حتی ۱ اتم کاهش دهیم. امروزه موادی وجود دارند که ضخامت آن‌ها تنها یک اتم است. گرافین که از اتم‌های کربن ساخته‌شده نمونه چنین موادی است. چنین موادی ازیک‌طرف در ضخامت قطری معادل یک اتم دارند البته در دو بعد دیگر بسیار گسترده‌تر هستند؛ بنابراین امکان کوچک‌تر کردن این روند وجود دارد اگرچه فوق‌العاده چالش‌برانگیز است.
درنهایت اتفاقی که ما به انجام آن امیدوار هستیم و همین‌الان هم کار بر روی آن شروع‌شده است رسیدن به مقیاس اتمی است تا بتوانیم در چنین مقیاسی به دست‌کاری ساختارها بپردازیم. اینکه یک اتم را به‌طوری‌که می‌خواهیم کنار دیگری قرار دهیم یا یک مجموعه از آن‌ها را به‌طور دلخواه کنار دیگری بگذاریم.
با انجام چنین کاری ما می‌توانیم برخی از ویژگی‌های شگفت‌انگیز را به مواد طبیعی وارد کنیم.
پس الآن توانایی ما برای این دست‌کاری‌ها در حد ۱۰۰ نانومتر است؟
– بله ما در این مقیاس و حتی کوچک‌تر از آن می‌توانیم کارکنیم و این تغییرات را وارد کنیم ولی می‌خواهیم به سمت مقیاس‌های کوچک‌تر برویم و طبیعی است که برای این کار نیاز به ابزارها و فناوری پیشرفته‌تر و متفاوتی داریم.
اگر من درست متوجه شده باشم برای اینکه این ویژگی‌ها را وارد مواد کنیم عملاً نیاز به‌نوعی از ماژول‌ها یا بسته‌های تشکیل‌شده از مواد طراحی‌شده داریم چنین برداشتی درست است؟
– جواب هم بله است و هم نه. اگر شما این ماژول‌ها را به‌عنوان همان ساختارهای کاربردی که به آن‌ها اشاره کردم در نظر بگیرید آن‌وقت جواب مثبت است؛ اما ما می‌توانیم این بلوک‌های ماژولی را به شکل متفاوتی هم تعریف کنیم.
حالا اگر بحث واژه‌شناسی را کنار بگذاریم داستان این است که شما این اجزای اصلی یا ترکیبی از این ساختارها را کنار هم قرار می‌دهید و زمانی که یک موج را به درون آن می‌فرستید این موج از بین این مجموعه عبور می‌کند و درنهایت از مجموع ویژگی‌های آن‌ها تأثیر می‌گیرد و خارج می‌شود؛ بنابراین اگر از معنی فنی کلمات صرف‌نظر کنید بله شما می‌توانید این‌ها را رفتاری جمعی بلوک‌ها در نظر بگیرید اما رفتار ماژولار معنی مشخصی ازنظر فنی دارد.
یکی از اتفاق‌های جذاب در این حوزه رابطه‌ای است که میان شاخه‌هایی مانند الکترونیک، فوتونیک و امواج الکترومغناطیس به‌واسطه این فرامواد ایجاد می‌شود؛ و فکر کنم این همان‌جایی است که مفهوم متاترونیک هم پایش به میان کشیده می‌شود.
– بله و اتفاقاً بخشی از آن نگاه ماژولار که صحبت کردیم هم به مفهوم متاترونیک برمی‌گردد که من در سال ۲۰۰۵ مطرح کردم. اجازه بدهید اول درباره آنچه من فکر می‌کردیم و منظورم از مطرح کردن اینم حوزه بود صحبت کنیم.
اگر شما به ابزارهای الکترونیکی نگاه کنید هر ابزاری که می‌خواهید مانند تلفن همراه یا هر ابزار الکترونیکی دیگر، می‌بینید که این ابزار از تعداد زیادی عنصر یا عنصر ماژولی استفاده می‌کند شما با برخی از این عناصر از درس‌های فیزیک دبیرستان آشنا هستید. مثلاً در درس‌هایی که درباره مدارهای الکتریکی صحبت می‌شد ما درباره عناصری مانند مقاومت‌ها یا خازن‌ها، ترانزیستورها یا دیودها صحبت می‌کردیم آن زمان وقتی ما این مفاهیم را می‌آموختیم وجود آن‌ها به این شکل را بدیهی فرض می‌کردیم و به اهمیت وجود آن‌ها خیلی فکر نمی‌کردیم. شما می‌توانستید به فروشگاه ابزارهای الکترونیکی بروید و این قطعات را بخرید اما واقعاً این نوع تفکر ماژولی اهمیت فوق‌العاده بالایی دارد چراکه ما به آن‌ها به شکل عناصر یا المان‌ها یا بلوک‌های سازنده فکر می‌کردیم و نگاه می‌کردیم و درواقع آن‌ها را به چشم الفبای الکترونیک می‌نگریستیم. همان‌طور که وقتی زبان یاد می‌گیریم، الفبای آن را باید بیاموزیم این‌ها هم الفبای ابزارهای الکترونیکی بودند حالا با کنار هم قرار دادن این الفبا شما می‌توانید کلمات، جملات و پارگراف ها و درنهایت یک متن را بسازید در الکترونیک هم همین‌طور است ما با خازن‌ها و مقاومت‌ها و القاگرها شروع می‌کنیم و بعد آن‌ها را کنار هم قرار می‌دهید و مثلاً یک سویچ یا یک پالایه یا یک امپلی فایر را می‌سازید و درنهایت ابزار الکترونیکی خود را کامل می‌کنید. اما در پشت سر این کار ایده ماژولار وجود دارد یعنی شما می‌بینید که یک قطعه مشخص چه رفتاری را دارد و اینکه اگر من این قطعه را که جکم یکی از حروف الفبا را دارد کنار قطعه دیگر قرار می‌دهم و یک ساختار بزرگ‌تر یا یک کلمه را می‌سازم. مثلاً یک مقاومت مشخص را کنار یک خازن و کنار یک القاگر قرار می‌دهم و از ترکیب آن‌ها برای مثال یک فیلتر را به دست می‌آورم.
همیشه و به‌خصوص زمانی که از کلتک فارغ‌التحصیل شدم، در پشت ذهن من این سوال مطرح بود و به این موضوع فکر می‌کردم که چرا ما چنین ماژول‌ها یا عناصر الکتریکی را در الکترونیک داریم اما مشابه آن را در اپتیک نداریم. می‌دانید که در اپتیک ما درباره نور صحبت می‌کنیم و از ابزارهایی مانند عدسی‌ها و آینه‌ها و فیبرهای نوری حرف می‌زنیم اما از عناصر اپتیکی مشابه با عناصر الکترونیکی حرف نمی‌زنیم بدون آنکه وارد مسائل فنی آن شوم همیشه این موضوع در ذهن من بود و به آن فکر می‌کردم که نور از قوانین مشخص فیزیکی که به قوانین ماکسول معروف هستند پیروی می‌کند و مدارهای الکترونیکی هم از قوانین مشخصی که به قوانین مدارهای الکترونیکی معروف هستند پیروی می‌کند که آن‌ها هم در اصل قوانین ماکسول هستند بنابراین ازنقطه‌نظر فیزیکی این‌ها درواقع قوانین یکسانی به شمار می‌روند و چرا دریکی از آن‌ها ما این المان‌های ماژولی را داریم و در دیگری نداریم. این‌طوری بود که در سال ۲۰۰۵ من ایده المان‌های مدارهای اپتیکی را مطرح کردم به‌عبارت‌دیگر این مفهوم که آیا ما می‌توانیم ساختارهایی در مقیاس نانو داشته باشیم که در رفتاری مشابه خازن، یا مقاومت یا القاگر را برای پرتوهای نور و فرکانس‌های امواج نوری از خود بروز دهند. این ایده اولیه متاترونیک بود که من مطرح کردم… وقتی چنین المان‌هایی داشته باشید این‌ها می‌توانند نقش الفبای مشابهی را برای نور ایفا کنند نتیجه این خواهد بود که شما می‌توانید این قطعات را کنار هم قرار داده و درنهایت مدارهایی را برای نور بسازید که مشابه آن مدارهایی هستند که در الکترونیک و برای جریان الکتریسیته می‌سازید و رفتار آن را کنترل می‌کنید؛ بنابراین سوال این بود که چرا ما چنین المان‌هایی نباید داشته باشیم که من تعداد مشخصی از انواع مشخصی از آن‌ها را به ترتیب مشخصی کنار هم قرار دهم و درنتیجه یک فیلتر نوری داشته باشم یا یک سویچ مقیاس نانو نوری.
حالا به‌طور تخصصی من چنین المان‌هایی را بلوک‌های ماژولار می‌نامم چراکه واقعاً رفتار ماژولی دارند یعنی شما می‌توانید یکی از آن‌ها را بردارید و ماژول دیگری را به‌جای آن قرار دهید و عملکرد کل مدار را تغییر دهید مثل‌اینکه برخی از حروف یک کلمه را تغییر بدهید و درنتیجه معنی این کلمه تغییر می‌کند؛ بنابراین درنهایت ما می‌توانیم مدارهایی در مقیاس نانو در حوزه اپتیک طراحی کنیم و چنین چیزی می‌تواند باعث شود که حوزه نانو فوتونیک رشد چشمگیر و سریعی را شاهد باشد.
حالا با این مقدمه به سوال شما برمی‌گردم که آیا این روش باعث ارتباط و پل زدن میان حوزه‌هایی نظیر الکترونیک و فوتونیک و … می‌شود؟ بله. این دقیقاً کاری است که انجام می‌دهد؛ بنابراین حالا شما می‌توانید مشابه الکترونیک رفتار کنید شما می‌توانید به فروشگاه الکترونیک بروید و بگویید من برای ساخت یک فیلتر احتیاج به یک خازن، مقاومت و القاگر دارم و آن‌ها را بخرید و مدارتان را بسازید حالا این ساختار را وارد نانو فوتونیک کرده‌ایم و این کار را می‌توانیم در این حوزه انجام دهیم.
ازنظر تاریخی اگر به حوزه الکترونیک نگاه کنید می‌بینید که در قرن ۲۰ و ۲۱ توسعه شگفت‌انگیزی را شاهد بوده است که در قرن ۲۱ ادامه یافته است. من همیشه از دانشجویانم می‌پرسم که فکر می‌کنید چه چیزی باعث این رشد شگفت‌انگیز شده است؟ دلایل مختلفی وجود دارد یکی از دلایل به فیزیک مسئله برمی‌گردد و اینکه الکترون‌ها دارای بار الکتریکی هستند و شما می‌توانید از این خاصیت برای جهت دادن به آن‌ها و تعیین رفتارشان استفاده کنید ولی در مقابل فوتون‌ها چنین ویژگی را ندارند و به دلیل نداشتن بار الکتریکی کنترل آن‌ها بسیار سخت‌تر است و اتفاقاً به همین دلیل هم هست که نقش مواد در فوتونیک مهم‌تر می‌شود چون تنها وسیله ما برای کنترل نور است اما دلیل دیگری که الکترونیک چنین توسعه عظیم و قدرتمند و کارآمدی داشته است به دلیل همین ویژگی ماژولار آن است.
وقتی شما به یک مدار الکترونیکی نگاه می‌کنید به‌راحتی می‌توانید یک خازن را بردارید و آن را با یکی دیگر جایگزین کنید. این نوع طرز تفکر باعث رشد سریع و توسعه این حوزه می‌شود چون در واقعه نوعی دستورالعمل در اختیار کاربر قرار می‌دهد حوزه‌هایی مانند الکترونیک فوتونیک و ماکروویو را زیر یک چتر می‌آورد و همین‌طور الکترومغناطیس.
و البته هر یک از این حوزه‌ها دارای سابقه و تاریخ رشد متفاوتی است و در اغلب اوقات به شکل کاملاً مستقل از هم به آن ن گاه می‌شده و موردبررسی قرار می‌گرفته است. آیا با این زاویه دید و رفتن به سطح نانو عملاً ما درباره نوعی یکپارچگی در مواجهه با این حوزه‌ها صحبت می‌کنیم و آیا به‌این‌ترتیب ما با نوعی تغییر پارادایم نسبت به آن‌ها قرار داریم؟
– بله درست است. این ایده درست است و ما با توجه به اینکه در حوزه‌های مختلف اکنون این توان را داریم که با دست‌کاری مواد در مقیاس نانو این ماژول‌ها را بسازیم می‌توانیم به فکر نوعی ساختارهای ماژولی مشابه در این حوزه‌ها باشیم.
اگر شما به تاریخ علم و مهندسی نگاه کنید می‌بینید که اغلب اوقات وقتی شما یک حوزه را ساده‌تر می‌کنید سرعت رشد آن بیشتر می‌شود مثال‌های زیادی دراین‌باره وجود دارد مثلاً آنالوگ در برابر دیجیتال بنابراین من امیدوارم با ماژولار کردن این حوزه باعث افزایش رشد و سریع‌تر شدن رشد آن شوم.
بله این دقیقاً هدف ما است که این پارادایم را تغییر دهیم و اینکه حداقل ازنظر رویکرد دستگاهی این حوزه‌ها را متحد کنیم یعنی اگرچه ازنظر ماهیت فیزیک این‌ها متفاوت هستند اما ازنظر کاربردی و عملیاتی و ازنظر یکپارچگی طراحی این کار را بکنیم.
من می‌دانم این حوزه بسیار تازه و نویی است و قاعدتاً زمان زیادی لازم است تا مشخص شود کاربردهای عمل‌گرایانه یک فناوری کدام ها هستند و شاید برای پرسیدن این پرسش زود باشد، اما فکر می‌کنید مهم‌ترین تأثیری که فرامواد در آینده خواهند داشت در چه حوزه‌هایی خواهد بود؟
– هرجایی که شما بتوانید به دست‌کاری امواج بپردازید به‌طور طبیعی کاربردهای زیادی برای آن شکل خواهد گرفت. یک موج درواقع موجودیتی است که در فضا و زمان تغییر می‌کند بنابراین شما ماهیتی دارید که در فضا و زمان تغییر می‌کند و اگر شما توان دست‌کاری آن را داشته باشید به‌طورجدی کارآمد خواهد شد. ضمن اینکه شما شاهد تاریخ مشابهی در حوزه الکترونیک هستید شما در آن حوزه جریان و ولتاژ را دارید. اما برای اینکه این جریان و ولتاژ را کنترل کنید، مدارهای الکترونیکی را می‌سازید و درواقع با کمک المان‌هایی مثل مقاومت خازن و سویچ‌ها و القاگرها بر این دو مشخصه (جریان و ولتاژ) اعمال کنترل می‌کنید. بنابراین اگر این کنترل را داشته باشید بعدازآن می‌توانید کارهای بسیاری را انجام دهید. کامپیوترها نمونه ساده‌ای از این کاربردها به شمار می‌روند. یک کامپیوتر درواقع چیزی نیست جز دست‌کاری و تغییرات مداوم در جریان و ولتاژ. حالا می‌توان تصوری از توانایی‌های و کاربردهایی که چنین دست‌کاری و کنترلی بر روی نور به‌طور مشابه می‌تواند برای ما به ارمغان بیاورد داشته باشید چون نور می‌تواند با سرعت بالایی حرکت کند. من کاربردهای زیاد و جذابی از این فناوری را در ذهنم می‌بینم و اصلاً یکی از انگیزه‌هایی که در گروه من وجود دارد این است که به این کاربردها نگاه کنیم و سعی کنیم زمینه عملی شدن آن‌ها را فراهم کنیم.
برای مثال یکی از موضوعاتی که الآن روی آن کار می‌کنیم موردی است که توضیح می‌دهم. یک‌بار دیگر به کامپیوتر خود نگاه کنید کامپیوتر که زندگی امروز ما به آن وابسته است و کاربردهای زیادی در زندگی ما دارد اما بخش عمده‌ای از کامپیوتر درواقع دست‌کاری جریان و ولتاژ است درواقع در قلب کامپیوتر شما و در مدارهای آن همان عناصر مداری وجود دارند که درنهایت کاری که انجام می‌دهند دست‌کاری ولتاژ و جریان است یکی از چیزهایی که من درباره آن فکر می‌کردم و روی آن مشغول کار هستیم و یکی از مقاله‌های مرتبت با آن ژانویه گذشته در مجله ساینس منتشر شد به این شرح است تصور کنید که بتوانید که بلاک‌هایی را طراحی کنید که نور از میان آن‌ها عبور کند و آن‌ها در جریان این فرآیند عمل گرهای ریاضیات را به انجام برسانند.
بگذارید توضیح دهم که منظورم چیست. تصور کنید که یک بلاکی از مواد دارید که مثلاً وقتی نور را از سمت راست و با ویژگی‌های خاصی به آن می‌تابانید این نور از درون این مجموعه المان‌های شما عبور می‌کند و ویژگی‌هایش تغییر می‌کند و وقتی بیرون می‌آید عملاً معادل انجام یک عمل ریاضیاتی مانند جمع و یا تفریق بر روی آن توابع ورودی باشد که در قالب آن پرتوهای نوری واردشده‌اند. این فوق‌العاده است. معنی آن این است که شما هر دو تابعی را که بخواهید می‌توانید وارد کنید و به‌سرعت نور تأثیر آن عملگر را بر روی آن به‌عنوان خروجی داشته باشید مثل این است که با استفاده از نور نوعی محاسبه آنالوگ انجام دهید یا چیزی که من آن را ریاضیات با نور نامیده‌ام حالا آیا من می‌توانم توابع پیشرفته‌تر را با نور انجام دهیم. جواب مثبت است ما چندین مورد از فرامواد را طراحی کردیم که بخشی از این عملکردها را انجام می‌دهند و همین الآن گره من در آزمایشگاه انقطاع در حال کار بر روی آزمایش‌هایی هستند که ببینیم این نظریه در عمل چگونه کار می‌کند؛ بنابراین تصور کنید من می‌توانم مجموعه‌ای از این بلاک‌ها را داشته باشم که نور از آن‌ها عبور می‌کند و این مجموعه بر روی آن مشتق اعمال می‌کند یا از درون مجموعه دیگری عبور می‌کند و بر روی تابعی که آن پرتو نور معرف آن است انتگرال می‌گیرد و هر عملیات دیگری. بنابراین با کنار هم قرار دادن این‌ها من می‌توانم مجموعه‌ای داشته باشم که معادلات من را حل کند. این واقعاً فوق‌العاده است تصور کنید یک معادله پیچیده را با نور حل می‌کنیم و ما چنین اهدافی را داریم و شما می‌توانید انبوهی از عملیات و تحلیل‌ها را روی حجم بالایی از داده‌ها انجام دهید.
امروز ما در دنیا انبوهی از اطلاعات را در اختیارداریم. بدین ترتیب ما روندی را در اختیارداریم که به کمک آن می‌توانیم پردازش‌های فوق‌العاده سریعی روی این داده‌ها انجام دهیم و از آن مهم‌تر اینکه می‌توانیم این کار را با سریع‌ترین سرعت ممکن در جهان یعنی سرعت نور انجام دهیم این سریع‌ترین سرعتی است که طبیعت به ما اجازه می‌دهد بدین ترتیب می‌توانید تصور کنید که چنین کاری چه دروازه‌هایی را به‌سوی امکاناتی بی‌نظیر برای ما باز می‌کند.
البته این به معنی کنار گذاشتن الکترونیک نیست بلکه محصول نهایی ترکیبی از الکترونیک و فوتونیک خواهد بود و یک موجود دوگانه است این بخشی از چشم اندازها و کاربردهایی است که ما به دنبال آن هستیم
این راه قطعاً با چالش‌های زیادی مواجه است.
– همیشه چالش‌هایی وجود دارد. نکته خیلی جذابی که برای ما وجود دارد این است چقدر می‌توانیم آن بلوک‌ها و ساختارها را کوچک و فشرده بسازیم. تصور کنید مداری که الآن درگوشی تلفن همراه شما وجود دارد یک‌میلیون برابر کوچک‌تر شود. البته ما نمی‌خواهیم اندازه تلفن را کوچک‌تر از آن چیزی کنیم که قابل‌استفاده باشد اما مسئله این است که اگر بتوانید مغز دستگاه خود را کوچک‌تر کنید اطلاعات بیشتری را می‌توانید وارد کرده و پردازش بیشتری روی‌داده‌ها انجام دهید بنابراین اگر بتوانید عملگرهای درون پردازشگرها را کوچک‌تر کنید یعنی تعداد بیشتری از آن‌ها را می‌توانید وارد کنید و البته همه این‌ها ریشه خود را از این ایده تغییر و دست‌کاری نور توسط مواد می‌گیرد.
شما رهبری گروه پژوهشی انقطاع را بر عهده‌دارید. در این گروه چه تحقیق‌هایی صورت می‌گیرد؟
– واقعیت این است که در گروه من فرامواد تنها یکی از زمینه‌های کار است. بگذارید کمی پیشینه آن را برای شما تعریف کنم. ما در این گروه به‌طور خاص به موضوع امواج و نحوه اعمال تغییر بر روی آن‌ها علاقه‌مند هستیم و البته که منظورمان امواج الکترومغناطیس است مایکرو ویو، اپتیک و به‌طورکلی تر موج. ما روی جنبه‌های مختلفی از امواج بررسی می‌کنیم چراکه ما همزمان هم‌روی بخش‌های چشمگیر و مهم فیزیک امواج در کنار بخش‌های کاربردی آن کار می‌کنیم.
بنابراین در گروه ما روی حوزه‌های مختلفی تحقیق می‌کنیم که یکی از آن‌ها فراماده ها است که درباره آن صحبت کردیم یکی دیگر از این حوزه‌ها درباره اپتیک‌های نانومقیاس است. همچنین حوزه دیگری که روی آن کار می‌کنیم و موردعلاقه من است نانو انتن ها هستند حوزه دیگری که دنبال می‌کنیم کوچک کردن ابعاد و دست‌کاری‌های در حد اتمی است
یکی دیگر از حوزه‌هایی که من فوق‌العاده به آن علاقه‌مند هستم و درباره‌اش کار می‌کنیم به تصویربرداری نوری برمی‌گردد که الهام گرفته از سیستم بینایی و چشم برخی از موجوداتی است که در طبیعت وجود دارند. این درواقع اپتیک و علم نورشناسی و رفتار آن در چشم است اما نه‌فقط چشم انسان بلکه گونه‌های مختلفی از موجودات که چشم‌های مختلفی دارند برای مثال برخی از انواع اسکویید ها و هشت‌پاها و برخی از موجودات دریایی مجموعه بی‌نظیری از چشم‌ها دارند که دارای توانایی‌ها است که چشم انسان فارغ ان است.
بگذارید یک مثال کوچک بزنم. شما با مفهوم قطبیدگی نور آشنا هستید نور ویژگی‌های مختلفی دارد ازجمله شدت نور طول‌موج که مغز آن را به رنگ تفسیر و ترجمه می‌کند و همچنین قطبیدگی یا پولاریزیشن که جهت میدان الکتریکی نور است چشم ما تنها به دو ویژگی حساس است یعنی فقط می‌تواند شدت و طول‌موج را در ک کند اما چشم ما در مقابل قطبیدگی نابینا است و نمی‌تواند آن را تشخیص دهد بنابراین اگر شما به نور روشنی به رنگ زرد که دارای قطبیدگی عمودی است نگاه کنید چشمان من و شما تنها می‌تواند شدت و رنگ را تشخیص دهد اما نمی‌توانیم بفهمیم قطبش آن عمودی یا افقی است. برخی از جانوران در طبیعت اما می‌توانند این قطبیدگی را ببینند و این خیلی جذاب است که چرا چشمان این موجودات می‌تواند این قطبیدگی را تشخیص دهد این را باید در فرصت دیگری بحث کرد و این‌که چرا چشم آن‌ها چنین توانایی را دارد. یکی از موضوعاتی است که ما در گروهمان به آن علاقه داریم این است که با الهام گرفتن از طراحی چشمان این موجودات ما چه نوع طراحی‌هایی می‌توانیم انجام دهیم این حوزه‌ای است که هم بخش علمی آن فوق‌العاده جذاب است و هم کاربردهای احتمالی آن خیلی وسیع و مهم خواهد بود
شما یکی از دانشمندان برجسته‌ای هستید که در لبه‌های مرزهای دانش گام برمی‌دارید و با بسیاری از مهم‌ترین دانشمندان دوران معاصر کارکرده‌اید. این جایگاه به شما چشم‌انداز بی‌نظیری برای نگاه به کلیت جریان علم و آینده ما را می‌دهد. شما جایگاه و وضعیت علم را در آینده ما انسان‌ها چگونه می‌بیند؟
– به‌عنوان یک دانشمند و یک فرد فنّاورانه من همیشه فکر می‌کنم که علم و فناوری نقش فوق‌العاده مهمی برای بشریت دارد البته باید این احتیاط را کرد که قرار است از این علم و فناوری چطور استفاده شود. البته شما همیشه در تاریخ علم و فناوری دیده‌اید درنهایت علم و فناوری در مقیاس زمانی طولانی برای بشریت مفید بوده است. درست است که هر چیزی را می‌توان مورد سو استفاده هم قرارداد؛ اما درنهایت این‌همه دست آورد‌ها و ابتکارهای علمی همیشه در طول زمان و در درازمدت مفید و مؤثر بوده است و به کمک ما آمده است یکی از مثال‌های بی‌نظیر در این زمینه در حوزه پزشکی است اصولاً قابل‌مقایسه نیست جایگاه پزشکی امروز ما با آنچه در ۲۰۰ سال قبل بوده است و همه این مدیون علم و فناوری است. همه این‌ها به لطف پیشرفت‌های علمی و فناوری است که به‌طور مستقیمی بر زندگی مردم تأثیر می‌گذارد وقتی درباره تاریخ علم و فناوری صحبت می‌کنیم یکی از قهرمان‌های من لویی پاستور است که میکروبیولوژیست بود فقط به تأثیری که کارهای او بر بشریت داشت فکر کنید. چه جان‌هایی که به خاطر کار او از مرگ و رنج رها شدند و از خطر نجات پیدا کردند. او درواقع نقش مهمی در تعیین اینکه چه چیزی عامل یک بیماری است، ایفا کرد.
نکته دیگر این است که اگر امروز مثلاً به حوزه‌ای مانند شیمی و فیزیک و غیره نگاه کنید می‌بینید که این‌ها در حال نزدیک شدن به یکدیگر هستند. اگر به دنیای نانومقیاس بروید همه‌چیز به هم نزدیک می‌شود و تقریباً همه یکپارچه می‌شوند. جایزه امسال نوبل در رشته شیمی به دانشمندانی رسید که حوزه فعالیتشان در حوزه نانوسکوپی قرار داشت اینکه چطور تصویری را با نور در مقیاس نانویی تهیه کنید؛ و می‌بینید که چطور این حوزه‌های مختلف در حال نزدیک شدن و پیوستن به هم هستند فیزیک و شیمی و ریاضیات و علوم کامپیوتر توسعه‌یافته‌اند و به هم نزدیک شده و مرزهای آن کم‌رنگ‌تر شده است و این ماهیت علم است چون واقعاً در طبیعت مرزبندی وجود ندارد همه این‌ها درواقع بخشی از یک ساختار به‌هم‌پیوسته هستند و بخشی از آن را توضیح می‌دهند و در مقیاس پایین‌تر به هم می‌رسند.
به‌طورکلی اما من فکر می‌کنم در آینده با اطلاعات و دانش بیشتری مواجه خواهیم بود که همیشه کارآمد و مهم بوده و خواهد ماند.
شما سال گذشته در کنار موفقیت‌های علمی که در حوزه تخصصی خود داشتید مدال طلای بالتازار ون در پُل را به خود اختصاص دادید و علاوه بر جایگاهی که درون جامعه علمی دارید به چهره‌ای شناخته‌شده برای جوانان و مردم ایران نیز بدل شده‌اید. در پایان این گفتگو اگر صحبتی با مخاطبان ما به‌خصوص نوجوانان و جوانانی که به حوزه علم علاقه‌مند هستند دارید این فرصت در اختیار شما است.
– پیام من بسیار ساده است دنبال زورمندی و علاقه خود بروید. ببینید جه می‌خواهید و آن را دنبال کنید. وقتی نسبت به یک موضوع احساس علاقه جدی و شور و شوق داشته باشد دنبالش می‌روید و آموزش لازم را می‌بیند و کار لازم را انجام می‌دهید تا به چیزی که می‌خواهید برسید. علاقه واقعی خود را پیدا کنید فرقی نمی‌کند که در شیمی و پزشکی یا موسیقی و ادبیات و غیره باشد. همه این‌ها بخشی از ماجراجویی و روند پیشرفت انسانی است. وقتی درباره آن موضوع شور و اشتیاق پیدا کردید کار بی‌نظیری انجام می‌دهید.
این به نظرم خط نهایی و سنگ بنای کار است. باید از کاری که می‌کنید لذت ببرید و اگر لذت بردید زمان و انرژی کافی را به آن اختصاص می‌دهید و دیگر آن موضوع، تنها کار شما نیست بلکه علاقه شما است و آن را دنبال می‌کنید. اگر این‌گونه باشد آن موضوعی به بخشی از زندگی شما بدل می‌شود که همیشه با شما است. درنهایت اینکه شور و شوق و علاقه خود را پیدا کنید و آن را دنبال کنید.