"המפץ הגדול" בננואופטיקה

צוות חוקרים בראשותו של פרופ' ארז חסמן מהטכניון מדווח על תגלית מדעית פורצת דרך המדמה "מפץ גדול" פוטוני בסקאלה הננומטרית

כתב העת Science מדווח על תגלית מדעית שחשפה קבוצת המחקר של פרופ' ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות ומהמכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) בטכניון. 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 בכתב העת Science ואשר בוצע בהשראת מודל "המפץ הגדול" בקוסמולוגיה היתה 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."

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.

"המפץ הפוטוני" הודגם בעזרת מטא-משטחים ננומטריים המבוססים על אנטנות זעירות מסילקון (ננואנטנות). "באמצעות ננואנטנות שייצרנו במעבדה בטכנולוגיית סיליקון פיתחנו דרך לשליטה באי הסדר במערכת – בהגדלת האנטרופיה," מסביר פרופ' חסמן.

חברי הקבוצה לננואופטיקה בראשותו של פרופ' חסמן השותפים למחקר. מימין לשמאל: ארקדי פאירמן, מיכאל ינאי, פרופ' ארז חסמן, דר' ולדימיר קליינר, אלחנן מגיד ואיגור יולביץ. צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון.
חברי הקבוצה לננואופטיקה בראשותו של פרופ' חסמן השותפים למחקר. מימין לשמאל: ארקדי פאירמן, מיכאל ינאי, פרופ' ארז חסמן, דר' ולדימיר קליינר, אלחנן מגיד ואיגור יולביץ. צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון.
"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, בה יש אי סדר מוחלט, מתרחש "מפץ גדול" בננואופטיקה, דהיינו 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."

אי סדר חלש גורם לאפקט ספין הול פוטוני. מקור: הטכניון.
אי סדר חלש גורם לאפקט ספין הול פוטוני. מקור: הטכניון.
אי סדר מוחלט גורם לאפקט רשבא אופטי רנדומלי ("מפץ גדול" פוטוני). מקור: הטכניון.
אי סדר מוחלט גורם לאפקט רשבא אופטי רנדומלי ("מפץ גדול" פוטוני). מקור: הטכניון.
התגלית היא פריצת דרך מדעית עולמית שהתבצעה כאמור לראשונה במעבדתו של פרופ' חסמן בטכניון והיא מתארת "מפץ גדול" פוטוני, כלומר "מפץ גדול" בסקאלה ננומטרית המבוסס על אור.

המחקר 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 פיתח פרופ' חסמן 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 כל 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).