ניתן לייצר מטא-חומרים, שמאפשרים ייצור של אור בתדרים חדשים ושניתן לשלוט בהם על ידי שילוב עם גבישים נוזליים. כך עולה ממחקר חדש, שערכו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב.
המטא-חומרים שהחוקרים יצרו בנויים ממיליוני יחידות ננומטריות מזהב, שכאשר מאירים עליהן בעזרת לייזר כל יחידה מייצרת אור בתדירות כפולה מזו של הלייזר. למשל, כאשר הלייזר המאיר בעל תדר בתחום האינפרא-אדום הקרוב, המטא-משטח יכול לקרון אור בתחום הנראה.
צוות החוקרים סבור כי ניתן להשתמש בחומרים כאלו כדי לייצר מקורות אור קוהרנטי חדשים, להדמיה ברזולוציה גבוהה ועבור אור שלא ניתן לראות בעזרת מצלמות רגילות, ואפילו עבור יצירה של מצבי אור קוונטים.
המחקר נערך בהובלת החוקרים ד"ר מוקש שארמה, מאי טל, ד"ר קורמק מקדונל ופרופ' טל אלנבוגן מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם כמאמר נושא בתחום מדעים פיזיקליים וחומרים של כתב העת Science Advances.
צוות החוקרים הסביר כי בשנים האחרונות, בזכות התקדמות ביכולות הדפסה ננומטרית חוקרים ברחבי העולם - ניתן לייצר חומרים אופטיים הנקראים מטא-חומרים, בעלי תכונות אופטיות חדשות שלא ניתן למצוא בחומרים טבעיים. לאחרונה התפרסמו מחקרים המראים שניתן ליצור מחומרים אלו גם רכיבים אופטיים חדשניים בעלי יישומים מבטיחים בתחומי הדמאה, מדידות אופטיות, יצירת רכיבים אופטיים זעירים וכן הלאה.
פרופ' טל אלנבוגן צילום: נדיה פונכץאחת המטרות החשובות ביותר בתחום היא למצוא דרכים חדשות לייצר מטא-חומרים ומטא-רכיבים אופטיים אקטיביים שניתן לשלוט באופן הפעולה שלהם לפי צורך. הדרך לשליטה ברכיב אקטיבי יכולה להיות למשל על ידי מתח חשמלי, טמפרטורה וחשיפה לאור.
צוות החוקרים הוסיף כי גבישים נוזליים מוכרים כבר שנים רבות כחומרים שניתנים לשליטה חיצונית מצוינת. חומרים אלו עשויים בדרך כלל מאוסף של יחידות קטנות, למשל מולקולות, ומציגים בו זמנית תכונות של נוזל וגביש בהתאם לסידור של היחידות. דרך נפוצה לשליטה חיצונית בגבישים נוזליים היא על ידי הפעלת מתח חשמלי אשר משנה את הצורה בה היחידות הקטנות מסודרות. מכיוון שהאופן בו אור מגיב לחומר תלויה בסידור הפנימי של החומר, שינויים כאלו משפיעים על הצורה שבה אור עובר ומוחזר מהתא שמכיל את הגביש הנוזלי ולכן הם יעילים בשימושים שמצריכים שליטה באור.
כיום גבישים נוזליים נמצאים ברכיבים אופטיים רבים, למעשה הם משמשים בכל סוגי המסכים ממסכי טלוויזיה ועד מסכים של טלפונים ניידים ושעונים. בנוסף הם נמצאים ברכיבי אפנון אור שונים ועוד רכיבים לשליטה באור.
ד"ר מוקש שרמה צילום: פרטיפרופ' טל אלנבוגן אמר: "במחקר הנוכחי הראנו שכאשר היחידות הננומטריות במטא משטח ממוקמות במרחקים מסוימים זו מזו, הן 'ננעלות' ובמקום לפעול בצורה אינדיוודואלית פועלות ביחד בהליך הייצור של האור. מצב זה דומה למערך של אנטנות קטנטנות המשדרות את האור זו לזו בסנכרון, באופן שמגביר את משמעותית את יעילות המרת התדר מכל המערך.
"הראנו לראשונה שכאשר יוצרים תא היברידי של גבישים נוזליים הבאים במגע עם המטא-חומר, לפתע רואים תופעות לא מקומיות חזקות. בנוסף הראינו שניתן לשלוט בהן בצורה חשמלית והן באמצעות חשיפה לאור. על ידי הפעלת מתח חשמלי קטן של וולטים בודדים על התא הצלחנו להראות מיתוג חשמלי של הקרינה בתדירות הכפולה מהמטא-משטח עם הנחתה של יותר מ 25 דציבל. בנוסף הראנו שכאשר העוצמה של האור מהלייזר עולה על סף מסוים, הגבישים הנוזלים עוברים ממצב גבישי נמאטי למצב איזוטרופי. כך הצלחנו להדגים מיתוג חד ביצירת הקרינה בתדירות הכפולה גם בצורה חשמלית וגם על ידי שימוש באור המעורר בלבד".
פרופ' טל אלנבוגן סיכם: "תוצאות המחקר מדגימות לראשונה מטא-חומר בעל יכולת להפיק אור בתדירויות חדשות בעזרת אפקטים לא מקומיים, שניתן לשליטה משמעותית על ידי אור או על ידי הפעלת מתח חשמלי. מטא-חומרים כאלו יכולים לפתוח פתח לרכיבי חישוב אופטי חדשנים לשימוש במחשבים אופטיים, למידה עמוקה אופטית, מיתוג אור על שבב, ויצירת מצבי אור קוונטים נשלטים".
המעבדה של פרופ' אלנבוגן באוניברסיטת תל אביב חוקרת את האינטראקציה בין אור וחומרים בעלי מאפיינים ננומטריים במטרה לגלות צורות חדשות לשליטה באור ולהוביל ליישומים חדשים. המחקר הנוכחי מומן על ידי הקרן הלאומית למדע ISF ועל ידי מועצת המחקר האירופי ERC.
