לייזרי מוליכים-למחצה: הדור הבא

כתב העת Science מדווח על פריצת דרך מדעית והנדסית בתחום הלייזר: יצירת לייזר מבודד טופולוגי. במחקר, שנערך בטכניון ובארה"ב, טמון פוטנציאל למהפכה בתחום לייזרי המוליכים-למחצה ובחיישנים מדויקים

חוקרים מהפקולטה לפיזיקה בטכניון פיתחו עם עמיתים מארה"ב מערכת לייזר חדשנית: לייזר מבודד טופולוגית (Topological Insulator Laser). הלייזר החדש מאופיין ביעילות וביציבות גבוהות משמעותית מאלה של מערכות לייזר דומות וסולל דרך לשילוב קוהרנטי רב עוצמה של מספר רב של יחידות-לזירה – אתגר המעסיק קבוצות מחקר רבות בתחום של לייזרי מוליכים-למחצה.

הממצאים התפרסמו בכתב העת Science בשני מאמרים, שאחד מהם מציג את התאוריה והאחר את המערכת הניסויית הראשונה. מדובר בתגלית מדעית בסיסית בעלת השלכות מרחיקות לכת על יישומים כגון התקנים פוטוניים (דיודות לתקשורת, מעגלי-אלקטרוניקה משולבי לייזרים וכיו"ב), וחברות מובילות בעולם הפוטוניקה כבר מגלות בה עניין.

המחקר פורץ הדרך נערך על ידי חתן פרס ישראל פרופ'-מחקר מוטי שגב מהפקולטה לפיזיקה בטכניון עם שני חוקרים במעבדתו – ד"ר מיגל בנדרס והדוקטורנט גל הררי – ועם שותפיהם מ-CREOL (אוניברסיטת מרכז פלורידה), הפרופסורים דימיטרי כריסטודולידס ומרסדה חג'אוויקאן והסטודנטים שלהם סטפן וויטק, מידיה פרטו וג'ינהאן רן ומדענים נוספים מארה"ב ומסינגפור.

המחקר המתפרסם כעת מציג שילוב מוצלח ראשון מסוגו בין שני תחומים שונים בפיזיקה: לייזרים ומבודדים טופולוגיים. מבודדים טופולוגיים, שעמדו בלב המחקר של חתני פרס נובל בפיזיקה לשנת 2016, מהווים מצב חדש של חומר. הם התגלו לראשונה עבור אלקטרונים במוצקים ומאופיינים בכך שחלקם הפנימי מתנהג כמבודד (אינו מוליך זרם חשמלי) אך פני השטח שלהם מוליכים זרם חד-כיווני החסין בפני פגמים, מפזרים (דוגמת פינות) ואי-סדר בחומר. בתחילה התגלו המבודדים הטופולוגיים בהקשר של הולכה במוצקים, אולם לפני כעשור עלתה ההשערה שהרעיונות הבסיסיים בתחום מחקר זה עשויים, תחת שינויים מהותיים, להיות רלוונטיים גם במערכות פיזיקליות נוספות. הראשונה שבהן הייתה מערכת אופטית. כבר ב-2013 הדגימה קבוצת המחקר של פרופ' שגב את המבודד הטופולוגי הפוטוני הראשון. במערכת זו נע האור בצורה חד-כיוונית סביב שוליו של מערך דו-ממדי של מוליכי-גל מבלי שיופרע על ידי פגמים או אי סדר. כעת מדגימים החוקרים התקן לייזר מסוג חדש, המאפשר חיבור מספר רב של יחידות-לזירה ליצירת קרן לייזר יחידה, חזקה ואחידה, בתדר יחיד, שגם חסינה בפני פגמים, קצוות חדים ואי סדר. פריצת הדרך טמונה כאמור בשילוב הסינרגטי של התכונות הטופולוגיות במערכת לייזר.

פרופ'-מחקר שגב, שהוביל את המחקר, אומר כי "זהו המחקר החשוב ביותר שערכתי עד כה, והפרסום של שני המאמרים ב-Science זה לצד זה הוא צעד חסר תקדים." לדבריו, "מערכת הלייזר החדשה מפריכה את כל מה שידענו על מבודדים טופולוגיים. עד כה נהוג היה להניח שתכונותיו הייחודיות של המבודד הטופולוגי ייעלמו בהקשרים כגון מערכות לייזר, החייבות להכיל הֶגְבֵּר (gain), אבל אנחנו הפרכנו את ההנחה הזאת בתאוריה ובניסוי. המבודד הטופולוגי הפוטוני מציג שיפור משמעותי של הלייזר בהיבטים של יעילות, יציבות ועוצמה. המערכת שפיתחנו חסינה לאי-סדר בחומר ואינה מאפשרת את פיזור הקרן או את היפוך כיוונה. המשמעות של עבודה זאת היא בראש ובראשונה פריצת דרך מחשבתית במדע בסיסי, ולשמחתי יש לה גם משמעויות יישומיות רבות."

המאמר הנוכחי, המחבר כאמור בין פיזיקה של לייזרים ופיזיקה של מבודדים טופולוגיים, סולל דרך למשפחה חדשה של התקנים פוטוניים טופולוגיים שאפשר יהיה לשלב בחיישנים, באנטנות ובהתקנים פוטוניים אחרים. לדברי פרופ' כריסטודולידס, "מרגש מאוד לראות מחקר בסיסי שממנו יצמחו יישומים משמעותיים ומוחשיים."

מימין לשמאל: גל הררי, פרופ'-מחקר מוטי שגב וד"ר מיגל בנדרס. מקור: דוברות הטכניון.
הלייזר המבודד הטופולוגי מבוסס על חומרים רגילים בעולם המוליכים-למחצה, בלי צורך בשדות מגנטיים או בחומרים מגנטו-אופטיים ייחודיים, ולכן אפשר לשלבו בקלות יחסית בהתקנים אופטיים ואלקטרוניים רבים ומגוונים. פרופ' חג'אוויקאן אמרה כי "בשנים האחרונות מצאנו דרכים חדשות לשלוט באור באופן חסר תקדים. כאן הצלחנו, באמצעות תכנון חכם, לשטות בפוטונים כך שירגישו כאילו הם נתונים בשדה מגנטי וכאילו יש להם ספין."

פרופסור-מחקר מוטי שגב זכה בפרסים בינלאומיים רבים ויוקרתיים בתחומי הפיזיקה, בהם הפרסים הגבוהים ביותר בתחומי האופטיקה והלייזרים של האגודה האמריקנית לפיזיקה (2014) ושל האגודה האירופית לפיזיקה (פרס האלקטרוניקה הקוונטית 2007). הוא חבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, חבר האקדמיה האמריקאית למדעים וחתן פרס ישראל ל"חקר הכימיה וחקר הפיזיקה" לשנת תשע"ד – 2014.

למאמרים ב- Science:

• למאמר התאורטי
•  למאמר המתאר את הניסוי