טכנולוגיה חדשנית למיפוי שדות אלקטרומגנטיים ואינטראקציית אור-חומר

מאמר ב-Nature Photonics, מציגים חוקרי הטכניון גישה מחקרית חדשה למיקרוסקופיית שדה-קרוב המאפשרת, בין היתר, להתמודד עם אתגר זה בעזרת תופעת ערבוב גלים באופטיקה אי-לינארית

פריצת דרך במיקרוסקופיה: טכנולוגיה חדשנית שפותחה בטכניון מאפשרת מדידה בזמן אמת של “גלי רפאים” – גלי אור הכלואים על פני משטחים. חוקרי הטכניון מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי פרסמו אתמול את התגלית בכתב העת היוקרתי Nature Photonics. את המחקר הובילו פרופ’ גיא ברטל, ראש המעבדה למחקר פוטוני מתקדם, והדוקטורנט קובי פרישווסר. במאמר שותפים קובי כהן, שי צסס, יעקב ח’יר-אלדין ושמעון דולב.

“גלי רפאים” אינם יכולים להתגלות בשיטות מיקרוסקופיה סטנדרטיות משום שהאנרגיה שלהם זורמת על פני השטח ואינה יכולה לפרוץ החוצה לעבר גלאי המיקרוסקופ. זהו עקרון פיסיקלי בסיסי המגביל את כושר ההפרדה של מיקרוסקופ לכמחצית גודלו של חלקיק אור.

שיטת המיקרוסקופיה הסורקת את השדה הקרוב למשטח (Near-field scanning optical microscopy) פותחה כדי לגלות גלים אלה והפכה בעקבות זאת לכלי משמעותי בחקר חומרים, אינטראקציות אור-חומר ודגימות ביולוגיות. מיקרוסקופים כאלו מסוגלים לצלוח את אותה מגבלה ובכך לספק יכולת הפרדה מרחבית גבוהה עד פחות ממיליונית המילימטר. שיטות מיקרוסקופיית השדה הקרוב התפתחו במהלך השנים וכיום הן משלבות גם שיטות מתקדמות המבוססות על ירי אלקטרונים על פני השטח.

ועדיין, מיקרוסקופיית השדה הקרוב, כמו גם מיקרוסקופיית האלקטרונים המספקת מידע דומה, סובלות מכמה חסרונות שהבולט בהם הוא המגבלה על הצגת התמונות בזמן אמת, יכולת הכרחית לאיפיון ההתפתחות-בזמן של תופעות מזעריות.

כעת, במאמר ב-Nature Photonics, מציגים חוקרי הטכניון גישה מחקרית חדשה למיקרוסקופיית שדה-קרוב המאפשרת, בין היתר, להתמודד עם אתגר זה בעזרת תופעת ערבוב גלים באופטיקה אי-לינארית (Nonlinear wave-mixing) – תחום מחקר פורה שמקורו בהמצאת הלייזר בשנות ה-60. באמצעות ירי של אלומת אור רחבה לתוך המשטח הצליחו חוקרי הטכניון לשחזר במלואו את השדה האלקטרומגנטי של אותם גלי רפאים ואף הדגימו את יישומה של טכנולוגיה זו בניטור שינויים בשדה זה.

לדברי המחבר הראשי במאמר, קובי פרישווסר, “התגלית התרחשה כשעבדתי בכלל על פרויקט אחר – יצירת גלי רפאים ייחודיים באמצעות אופטיקה לא ליניארית. במהלך העבודה הבנתי שתהליך היצירה הוא הפיך, כלומר, ככל שניתן לייצר גלים כאלה בתהליך לא ליניארי, כך ניתן גם לקרוא אותם לגלאי המיקרוסקופ ובכך בעצם לפתור את אותה בעיה ישנה של מיפוי גלי שטח – בזמן אמת.”

“בתהליך האמור נוצר אור בצבעים שונים המספק לנו מידע על אותם גלים שנשארו צמודים לפני השטח,” מסביר פרופ’ ברטל. “לעומת השיטות המקובלות האחרות, הטכניקה החדשה שפיתחנו אינה דורשת מכשור ייחודי – די במקור לייזר מספיק חזק וברכיבים אופטיים סטנדרטיים. אנחנו מאמינים שמוסדות וגופים נוספים יחברו אלינו לטובת תרגום מהיר של הטכנולוגיה הזאת ליישומים מסחריים.”

במחקר תמכו הקרן הישראלית למדע (ISF), מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון והאקדמיה הלאומית למדעים (מלגת אדמס לדוקטורנט שי צסס) ומלגת ות”ת (לדוקטורנט יעקב ח’יר-אלדין), והוא נערך בשיתוף המרכז לננו-אלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל והמעבדה הפוטו-וולטאית ב-RBNI (מכון ראסל ברי למחקר בננטכנולוגיה).