"המפץ הגדול" בננואופטיקה
פרופ' ארז חסמן מהטכניון, שעמד בראש המחקר, הסביר: "המטרה שלנו הייתה להדגים כיצד מערכת פיזיקלית עוברת ממבנה של סדר לאי סדר". ואיך קושרים למחקר נרות חנוכה וסביבונים?
בכתב העת Science מתפרסם הערב (יום ה') מחקר המבשר על תגלית מדעית פורצת דרך, שחשפה קבוצת המחקר של פרופ' ארז חסמן מהטכניון. התגלית מדגימה מעבר ממערכת פיזיקלית מסודרת למערכת לא מסודרת באופטיקה בסקאלת הננומטר, ומדגימה "מפץ גדול" פוטוני בסקאלה הננומטרית בתנאי מעבדה, בדומה למודלים הקיימים בקוסמולוגיה.
"המחקר שלנו עוסק בפיתוח רכיבים אופטיים בסקלת הננומטר ובהבנת האינטראקציה בין האור למבנים קטנים", מסביר פרופ' חסמן, ראש המעבדות לננו אופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון. "מטרת המחקר הנוכחי שפורסם, שבוצע בהשראת מודל 'המפץ הגדול' בקוסמולוגיה הייתה להדגים כיצד מערכת פיזיקלית עוברת ממבנה של סדר לאי סדר. ניסינו להבין את מנגנון מעבר הפאזה הטופולגי (מעבר ממצב מסודר לאי סדר קיצוני כתוצאה משבירת סימטריה) בסקאלה הננומטרית".
"המפץ הפוטוני" הודגם בעזרת מטא-משטחים ננומטריים המבוססים על אנטנות זעירות מסילקון (ננואנטנות). פרופ' חסמן הסביר: "באמצעות ננואנטנות שייצרנו במעבדה בטכנולוגיית סיליקון פיתחנו דרך לשליטה באי הסדר במערכת - בהגדלת האנטרופיה. האור מורכב מפוטונים, חלקיקים ללא מסה שנעים במהירות האור. כל פוטון מתנהג כמו סביבון המסתחרר עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון. (בטרימנולוגיה המדעית: ספין חיובי או ספין שלילי )".
כאשר עוברים ממצב מסודר למצב בו יש אי סדר קטן, כלומר משנים מעט את הזווית של הננואנטנות, מתרחש "ספין-הול פוטוני", פיצול מרחבי של הפוטונים בעלי ספינים הפוכים, פוטונים בעלי סחרור חיובי נעים לכיוון מסוים ובעלי הסחרור השלילי נעים לכיוון המנוגד. זהו פיצול קטן מאוד בסקלת הננומטר ולכן השתמשו החוקרים ברעיון של פרופ' יקיר אהרונוב מאוניברסיטת תל-אביב, הנקרא מדידה קוונטית חלשה, כדי למדוד הפרדה ננומטרית בין שני מצבי ספין של חלקיקי האור.
עם הגברת אי הסדר וכאשר המערכת מגיעה לנקודה קריטית, שבה יש אי סדר מוחלט, מתרחש "מפץ גדול" בננואופטיקה, כלומר פיזור של הפוטונים בעלי ספינים הפוכים לכל הכיוונים (בטרימנולוגיה המדעית -"אפקט רשבא הרנדומלי"). שבירת הסימטריה במערכת מתבטאת ביצירת מערבולות אופטיות הקרויות פגמים טופולוגיים. מערבולות אופטיות נוצרו כתוצאה מאינטראקציה בין מסלול הפוטון (חלקיק האור) לספין שלו. במדידה התגלתה תופעה ייחודית מאוד - גידול מרחבי דרמטי במספר המערבולות האופטיות ויצירת דחייה בין המערבולות כתוצאה מאי הסדר.
בטכניון אמרו כי התגלית היא פריצת דרך מדעית עולמית ושהמחקר נותן השראה להבנת אי סדר במצב מוצק ויתרום רבות לתחום הספינטרוניקה. בנוסף, הוא פותח אפשרויות לתכנון חומרים פוטוניים תוך בקרה של דרגת האי סדר שלהם.
פרופ' חסמן הוא מומחה בעל שם עולמי בתחום הננופוטוניקה - אינטרקציה של פוטונים עם מבנים בקנה מידה ננומטרי , וייסד את תחום הספינאופטיקה. בשנים האחרונות הוא פיתח יחד עם חברי קבוצת המחקר שלו מערכים של ננואנטנות מסיליקון, שבאמצעותן ניתן לעצב אלומות אור ולשלב מספר רב של רכיבים אופטיים ברכיב בודד ננומטרי.
פרופ' חסמן מציין בגאווה את ההישגים הגדולים של קבוצתו: "בארבע השנים האחרונות פרסמנו בכל שנה מאמר פורץ דרך בכתב העת Science. הישגים אילו היקנו לאלחנן מגיד את פרס וולף היוקרתי לדוקטורנטים מצטיינים ב-2017. קבוצת המחקר שלי הניחה את היסודות בשנת 2001 לתחום המטא-משטחים האופטיים - photonic nanoscale metasurfaces, שכיום נחשב לאחד התחומים החמים ביותר באופטיקה, ומעבדות מחקר רבות בעולם עוסקות בתחום זה".
קבוצתו של פרופ' חסמן כוללת חוקרים מדיספלינות שונות, פיזיקה ומדעי ההנדסה, העוסקים הן במחקר בסיסי והן במחקר יישומי המוביל ליישומים רבים בתעשיית ההייטק. לפרופ' חסמן שיתוף פעולה פורה עם אוניברסיטת סטנפורד בארה''ב, המניב מחקרים פורצי דרך ופרויקטי מחקר משותפים, וכמו כן מאפשר לחוקרים בקבוצתו להוביל מחקרים עם עמיתים בארה''ב. המחקר נתמך ע"י הקרן הלאומית למדע (ISF) והרכיבים מומשו במרכז לננו-אלקטרוניקה ע"ש זיספל (MNFU).
המחקר בוצע על ידי קבוצת המחקר לננואופטיקה בראשותו של פרופ' חסמן, שבה חברים תלמידי המחקר אלחנן מגיד, מיכאל ינאי, ארקדי פאירמן, איגור יולביץ' והחוקר ד''ר ולדימיר קליינר.
למאמר המלא:
http://science.sciencemag.org/content/358/6369/1411
לפנייה לכתב/ת 
