מבודד אופטי חדש מעביר אור שנכנס אליו מכיוון אחד וחוסם את האור הנכנס מהכיוון המנוגד

מבודד אופטי ראשון מסוגו פותח על ידי פרופ' טל כרמון מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון. הפיתוח פורסם בכתב העת Nature‏

חוקרים בטכניון בנו מבודד אופטי ראשון מסוגו, המבוסס על הדהוד של גלי אור בכדור זכוכית המסתובב במהירות. זהו ההתקן הפוטוני הראשון שבו אור המתקדם בכיוונים מנוגדים נע במהירויות שונות. הפיתוח פורסם בכתב העת היוקרתי Nature. את המחקר הוביל פרופ' טל כרמון מהפקולטה להנדסת מכונות וממכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה בטכניון. לדבריו "פיתחנו כאן מבודד פוטוני יעיל מאוד המצליח לבודד 99.6% מהאור. המשמעות היא שאם נשלח 1,000 חלקיקי אור, ההתקן יבודד כהלכה 996 פוטונים ויפספס רק 4. יעילות בידוד כזו נדרשת בהתקני תקשורת אופטית קוונטית. המבודד שפיתחנו כאן ממלא כמה דרישות חיוניות נוספות: הוא פועל היטב גם כשהאור מגיע בו זמנית משני הכוונים, הוא תואם לסיבים אופטיים סטנדרטיים, הוא ניתן למזעור והוא אינו משנה את צבעו של האור."

שחייה במורד הנהר מהירה יותר משחייה במעלה הנהר. רכיבה על אופניים כשהרוח בגבנו מהירה יותר מרכיבה נגד הרוח. מתברר שגם האור משנה את מהירותו כתוצאה מ"רוח גבית" או מ"שחייה נגד הזרם", כלומר כתוצאה מתנועת התווך שבו הוא נע. מהירות האור מושפעת ממהירות התווך. כבר בבית הספר התיכון אנו לומדים שמהירות האור מושפעת מסוג התווך – החומר שבתוכו נע האור. מהירות האור בזכוכית, למשל, איטית ממהירותו באוויר. עוד לומדים בתיכון ששתי אלומות אור המתקדמות בכיוונים מנוגדים בזכוכית, או בכל חומר אחר, יתקדמו באותה מהירות. "בלימודים בטכניון למדתי גם שמהירות האור תלויה במהירות התווך שבו הוא נע," אומר פרופ' כרמון. "ממש כמו השחיין בנהר, מהירות האור נגד תנועת התווך איטית ממהירותו עם תנועת התווך."

על תופעה זו הצביע כבר ב-1849 המדען הצרפתי ארמנד פׅיזוֹ (Fizeau). הוא הראה שבדומה למהירות השחיין בנחל, מהירות האור במורד הזרם גבוהה ממהירות האור במעלה הזרם. הגילוי של פיזו השפיע מאוד על פיתוחה של תורת היחסות הפרטית על ידי אלברט איינשטיין. הגרר שמפעיל החומר הנע על האור, שנקרא גם גרר-פיזו, עשוי להוביל ליישומים משמעותיים באופטיקה ובמחשוב. זאת משום שהאטה והאצה של האור באמצעות תנועת התווך יכולות לייצר מבודד אופטי – התקן שבו האור הנכנס מצד אחד נבלע והאור הנכנס מצד שני עובר. למרות שמהירות האור בתווך היא התכונה הבסיסית ביותר שנובעת מתגובת הגומלין בין אור לחומר, עד כה לא נבנה התקן פוטוני שבו אלומות מנוגדות של אור מתקדמות במהירויות שונות.

כעת, לראשונה, הצליחו חוקרי הטכניון לבנות מבודד המבוסס על מהירויות אור שונות לאלומות המתקדמות בכוונים מנוגדים. מדובר בהתקן אופטי כדורי המסתובב במהירות גבוהה. לתוך ההתקן משוגרות אלומות אור משני כיוונים מנוגדים. האור שמגיע מימין מסתובב בהיקף הכדור עם כיוון סיבוב הכדור; האור שמגיע משמאל מסתובב נגד כיוון הסיבוב ולכן נע במהירות נמוכה יותר. אפשר לומר שהאור נגרר עם ההתקן.

ההתקן החדשני מהווה מבודד אופטי – הוא מעביר אור המגיע מצד שמאל ומכבה אור המגיע מצד ימין. לדברי פרופ' כרמון, "הבסיס הפיזיקלי של ההתקן, בנוסף לגרר המופעל על האור, הוא מהוד – מקום שגלי האור מהדהדים בו. האור המהדהד מסתובב בתוך הכדור אלפי פעמים עד שהוא נבלע. לעומת זאת, אור שאינו מהדהד חולף דרך ההתקן כמעט ללא הפרעה. במילים אחרות, האור הנע עם ההתקן מהדהד וכבה, והאור הנע כנגד ההתקן ממשיך הלאה ללא הפרעה."

ההתקן נבנה בבית המלאכה לניפוח זכוכית בטכניון ממוט זכוכית שקצהו הותך לכדור ברדיוס של מילימטר. מקור האור הוא סיב אופטי דקיק, בקוטר מאית מעובי שערה, הנמצא במרחק של ננומטרים ספורים מהכדור. הכדור, שהוא המהוד, מסתובב במהירות עצומה – שפת הכדור נעה במהירות של כ-300 קמ"ש – והאור המגיע מהסיב מסתובב בתוכו אלפי פעמים. אחד האתגרים ההנדסיים שניצבו בפני קבוצת המחקר היה שימור מרחק מזערי קבוע בין הסיב (מקור האור) למהוד הכדורי. "שמירה על מרחק מדויק היא אתגר מסובך גם אם ההתקן אינו נע, והיא אתגר הרבה יותר מסובך כשמדובר בכדור שמסתובב במהירות עצומה. לכן חיפשנו דרך שתכריח את הסיב לנוע יחד עם הכדור למרות העובדה שהסיב והכדור אינם מחוברים. בסופו של דבר מצאנו דרך לעשות זאת: הסיב מרחף על הרוח שיוצר סיבוב הכדור. כך, אם ההתקן רועד – ובגלל הסיבוב המהיר הוא רועד בהכרח – הסיב ירעד יחד עם הכדור המסתובב והמרחק ביניהם יישמר."

לדברי פרופ' כרמון, "אנחנו מקווים שסללנו כאן דרך לסוג חדש של התקנים אופטו-מכניים המבוססים על כוחות אופייניים למרחקים ננומטרים. הכוחות הפועלים במרחקים אלה הם כוחות קזימיר וכוחות ואן דר ואלס – כוחות חזקים מאוד, שמקורם באפקטים קוונטים, שעד כה כמעט שלא נעשה בהם שימוש בהתקנים מכניים בכלל ובמהודים בפרט. לאחרונה הדגמנו לראשונה סוג חדש של לייזר שבו גלי מים גורמים לפליטת האור; עוד הדגמנו, בפעם הראשונה, מיקרו לייזר שבו גל אקוסטי גורם לפליטת האור. יתכן בעתיד נוכל ליצור במהודים החדשים לייזרים המבוססים על כוחות קזימיר וכוחות ואן דר ואלס."

את המחקר הוביל פרופ' כרמון עם קבוצת המחקר שלו ועם שותפיהם בקולג' לאופטיקה ופוטוניקה (CREOL). את הניסוי ערכו רפי דהן, שהיה אז סטודנט לתואר שני, והדוקטורנט שי מעייני. ד"ר מעייני נמצא כיום בפוסט-דוקטורט ב-MIT, שם הוא מפתח סיבים אופטיים חדשניים בהנחייתו של בוגר הטכניון פרופ' יואל פינק. ד"ר מעייני בחר בתחום מחקר זה, שהוגדר כצורך אסטרטגי של ישראל, מתוך רצון לחזור לישראל כחבר סגל בתום הפוסט-דוקטורט. פרופ' כרמון מדגיש כי חמשת המחברים הראשונים של המאמר הם אנשי הפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, בכללם יורי קליגרמן ואדוארד מוזס, שביצעו את החישובים.

במחקר תמכו מרכז המצוינות I-CORE, "מעגל האור" ומשרד המדע והטכנולוגיה.

למאמר המלא ב- Nature