"סיינס מגלה": חוקרי הטכניון פיתחו סוג חדש של חומר פוטוני: מטא-חומר ספינאופטי

התגלית תאפשר לממש סוג חדש של רכיבים אופטיים משטחיים בסקאלת הננומטר המבוססים על תכונות אבני הבניין של החומר שהם האנטנות האופטיות (מטא-אטומים אופטיים), ותכונות הסימטריה – שבירת סימטריה של המבנה הפוטוני.

חוקרי הטכניון פיתחו סוג חדש של חומר פוטוני, מטא-חומר ספינאופטי Spin-Optical Metamaterial המבוסס על ננואנטנות שמאפשר שליטה על המודים הקרינתיים בעזרת הספין של האור. התגלית תאפשר לממש סוג חדש של רכיבים אופטיים משטחיים בסקאלת הננומטר המבוססים על תכונות אבני הבניין של החומר שהם האנטנות האופטיות (מטא-אטומים אופטיים), ותכונות הסימטריה – שבירת סימטריה של המבנה הפוטוני. בעזרת תכנון המבנה שבהם האנטנות מסודרות וכיוונם המשתנה במרחב, ניתן לשלוט באינטראקציה של האור וחומר ולעצב מודים קרינתיים.

החוקרים פרסמו לראשונה על גילוי ניסיוני של אפקט "רשבא" האופטי Optical Rashba effect שמאפשר להוסיף או להוריד תנע לאור על ידי שליטה בספין של האור (דרגת סחרור פנימי של הפוטון – קיטוב מעגלי) ותכונות הסימטריה (שבירת סימטריה) של המבנה. מחקר פורץ דרך זה בוצע על ידי חוקרים מקבוצתו של פרופ' ארז חסמן – דר' ולדימיר קליינר ותלמידי המחקר ניר שטרית, איגור יולביץ, אלחנן מגיד, דרור עוזרי, ודקל וקסלר. לדברי פרופ' חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון: "בניסוי יצרנו מבנה בצורת 'קגומה' (דומה למבנה מחזורי של מגן דוד) והראנו יכולת שליטה על התנהגות פליטה קרינתית תרמית בעזרת אינטראקצית ספין-מסלול אופטי" כתוצאה משבירת סימטריה של המבנה". החוקרים קראו לתופעה המדעית אפקט "רשבא" האופטי כאנלוגיה לאפקט רשבא של אלקטרונים במצב מוצק. אפקט רשבא האלקטרוני מאפשר שליטה על אלקטרונים בעזרת הספין על ידי שבירת סימטריה של המבנה. אפקט זה מנוצל כיום לתחום חדש "ספינטרוניקה" שמאפשר לממש רכיבים ננואלקטרוניים הנשלטים על ידי הספין של האלקטרונים.

ההשראה למחקר באה ממצב מוצק: מחקרים רבים נעשו על חומרים אנטי-פרומגנטיים במבנה גבישי בצורת קגומה. בחומרים אלו קימת תופעה פיסיקלית שנקראת Frustration ("תסכול"): המומנטים המגנטיים יכולים להיות מסודרים במצבים שונים (פאזות שונות) אך האנרגיה מנוונת. חוקרי הטכניון שמו לב שקיים הבדל משמעותי בסימטריה של המצבים השונים של המומנטים המגנטים שעוברים מגביש סימטרי מרחבי לשבירת סימטריה. ידוע שחוקי השימור הפיסיקליים נקבעים על ידי הסימטריה של המערכת. לדוגמה: סימטריה מעגלית מחייבת שימור תנע זוויתי, וסימטריה להזזה מחייבת שימור תנע ליניארי. כמו כן כאשר יש לנו מערכת פיסיקלית המאופיינת בשבירת סימטריה מרחבית ניתן לצפות לפיצול בדיספרסיה (נפיצה – תלות תדר האור בתנע) כתלות בספין.

במקום סידור מרחבי שונה של מומטים מגנטיים, חוקרי הטכניון השתמשו בסידור שונה של ננואנטנות לא איזוטרופיות כאשר הסדר זהה לפאזות השונות הקימות בטבע בחומרים אנטי-פרומגנטיים במבנה קגומה. ננואנטנה אופטית מאפשרת ליצור מוד אלקטרומגנטי לוקלי התלוי בגיאומטריה של האנטנה. החוקרים ממשו מטא-חומר המבוסס על מערך אנטנות ב- SiC ומדדו את הפליטה התרמית מהמבנים השונים. SiC הוא חומר שתומך בגלי פני שטח פונוניים שצמודים לפני השטח. עירור תרמי של גלי פני השטח במבנה פוטוני מאפשר לצמדם לקרינה תרמית קוהרנטית מרחבית וזמנית. המדידות מראות שבעזרת תכנון תכונות שבירת הסימטריה של המבנה ניתן לשלוט בכיווני הקרינה האלקטרומגנטית. מערך האנטנות פולט או בולע אור כאשר הפאזה בין האנטנות נקבעת על ידי גרדינט גאומטרי שתלוי במבנה הלא הומוגני ולא איזוטרופי של המערך. החוקרים פיתחו תיאוריה שמאפשרת לתכנן ולשלוט במודים הקרינתיים של המבנה הפוטוני בעזרת הפאזה הגאומטרית כתוצאה מגדינט גאומטרי בסקאלת הננומטר (Berry Phase ) וקיבלו התאמה לתוצאות הניסיוניות.

החוקרים מאמינים שהגילוי יאפשר לפתח סוג חדש של רכיבים אופטיים והתקנים ננופוטוניים שיאפשרו לממש שערים לוגיים אופטיים הנשלטים על ידי הספין של הפוטונים, רכיבים למחשוב אופטי, מקורות אור חדשים תלויי ספין, עדשות משטחיות דקות במיוחד, עיצוב חזיתות אור וקרני לייזר בתחומי אורכי גל שונים בעזרת אופטיקה משטחית בעלת מבנה בסקאלת הננומטר, ושליטה על פליטה קרינתית תרמית. בעזרת החומרים האופטיים החדשים ניתן לתכנן את תכונות הפליטה, בליעה, העברה, פיזור של האור, וכמו כן ביצוע מניפולציה של גלי פני שטח עבור שבבים פוטוניים. בעקבות הגילוי המבטיח פרופ' חסמן מרחיב את קבוצת המחקר שלו ובכוונתו לקלוט תלמידי מחקר מצוינים נוספים משטחים שונים על מנת להמשיך ולפתח את תחום הספינאופטיקה שמפותח בקבוצתו בשלוש עשר השנים האחרונות. br />