אופטיקה חדשה: "קיפודי אור" ננומטריים

קטנים פי 10,000 מקוטרה של שערה: חוקרים בטכניון הצליחו לייצר "קיפודי אור" זעירים הקרויים סקירמיונים אופטיים וטומנים בחובם פוטנציאל לפריצת דרך בעיבוד מידע, בהעברתו ובאחסונו. את המחקר, שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Science, הובילו פרופ'-חבר גיא ברטל מהפקולטה להנדסת חשמל ע"ש ויטרבי ופרופ'-חבר נתנאל לינדנר מהפקולטה לפיזיקה בטכניון. במחקר השתתפו פרופ' ברגין ג'יונאי מהפקולטה לרפואה באוניברסיטה האלבנית בטיראנה והסטודנטים שי צסס, יבגני אוסטרובסקי וקובי כהן.

מערך של סקירמיונים אופטיים. השדה החשמלי בכל תא במערך אינו אחיד בכיוונו אלא מצביע לכל כיוון אפשרי במרחב(צלום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

בטכניון הסבירו כי המונח "סקירמיון" (skyrmion) מבוסס על שמו של הפיזיקאי הבריטי ד"ר טוני סקירם (Skyrme), שהגה בשנת 1962 שיטה להגברת יציבות של מערכות פיזיקליות עתירות אנרגיה, וזאת באמצעות שדות זעירים בעלי תצורה מרחבית "קיפודית". במרוצת השנים מומש רעיון זה גם בחומרים מגנטיים ואחרים, וכיום נחשבים הסקירמיונים להבטחה גדולה – בין השאר בהגדלת נפח האחסון של זיכרונות מחשב.

על-פי הודעת הטכניון, כיום מאוחסן רוב המידע בעולם על כוננים קשיחים, שהקריאה מהם מבוצעת על ידי זרוע מכנית. ניהול מידע באמצעות סקירמיונים, לעומת זאת, מבוסס על הזזה לא מכנית של הסקירמיונים באמצעות זרמי חשמל חלשים. תכונה נוספת של הסקירמיונים היא ממדיהם הזעירים - הם קטנים פי 10,000 מקוטרה של שערה. מאפיינים אלה צפויים לייעל, להאיץ ולהוזיל באופן דרמטיים תהליכים של עיבוד מידע, העברתו ואחסונו.

משתתפי המחקר במעבדת ברטל בפקולטה להנדסת חשמל. מימין לשמאל: פרופ"ח נתנאל לינדנר, שי צסס, פרופ"ח גיא ברטל, קובי כהן, יבגני אוסטרובסקי וברגין ג'יונאי(צלום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

להצלחה ביצירת סקירמיונים בגלים אלקטרומגנטיים עשויה להיות חשיבות מכרעת ביישומים פרקטיים. כיום חומרים בהם נוצרים סקירמיונים הם נדירים ביותר ודורשים קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד, לרוב באמצעות חנקן או הליום נוזלי. התגלית החדשה עשויה ליצור בעתיד את התופעה הייחודית הזו במגוון מערכות וחומרים כגון נוזלים, מערכי ננו-חלקיקים וגזים של אטומים קרים. המחקר עשוי להוביל גם ליישומים חדשים של סקירמיונים בעיבוד מידע, בהעברתו ובאחסונו בדרכים אופטיות ולא מגנטיות.

המחקר נערך בשיתוף המרכז לננואלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה ובתמיכת קרן ג'ייקובס, מרכז המצוינות I-CORE, קרן המדע הישראלית (ISF) והמועצה האירופית למחקר (ERC).

למאמר המלא:

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/18/science.aau0227