אינטל הציגה צ׳יפלט (Chiplet) המיועד להעברת מידע במהירות עצומה באמצעות סיב אופטי עם רכיב לייזר. זהו הצ׳יפלט הראשון בעולם עם ממשק I/O אופטי אינטגרטיבי מלא, המאפשר תקשורת יעילה יותר בין מעבדים במחשבי על ומערכות מחשוב מתקדמות, דבר שעשוי להיות בעל השפעה משמעותית על טכנולוגיית ה-AI, עיבוד נתונים בקנה מידה גדול וחישובי ענן.

קבוצת פתרונות הפוטוניקה המשולבת של אינטל (IPS) הדגימה בכנס  Optical Fiber Communication (OFC) 2024 את ממשק המחשוב האופטי הדו-כיווני הראשון בתעשייה והאינטגרטיבי באופן מלא (OCI), המשולב יחד עם מעבד אינטל, ומעביר נתונים חיים. אינטל השיגה כאן  ציון דרך מהפכני בטכנולוגיית פוטוניקה משולבת להעברת נתונים במהירות גבוהה.

ה-"Optical Compute Interconnect (OCI) Chiplet" משלב סיבים אופטיים עם לייזר ישירות על השבב. הוא תוכנן לתמוך ב-64 ערוצים של העברת נתונים במהירות של 32 Gbps בכל כיוון עד ל-100 מטרים של סיבים אופטיים, ונועד לענות על הדרישות הגוברות של תשתיות AI לרוחב פס גבוה, צריכת חשמל נמוכה וטווח ארוך יותר. הוא מאפשר סקלאביליות עתידית של חיבורי CPU/GPU ומבני מחשוב חדשניים, כולל הרחבת זיכרון קוהרנטי ופירוק משאבים.

למה זה חשוב? יישומי AI פועלים כיום ברחבי העולם, וההתפתחויות האחרונות במודלי LLM ו-AI גנרטיבי מאיצות את המגמה הזו. מודלים גדולים ויעילים יותר של למידת מכונה (ML) ישחקו תפקיד מרכזי במענה לדרישות החדשות של עומסי עבודה להאצת AI. הצורך להגדיל פלטפורמות מחשוב עתידיות ל-AI מוביל לגידול אקספוננציאלי ברוחב פס I/O ובטווחים ארוכים יותר לתמיכה ביחידות עיבוד  (CPU/GPU/IPU) גדולות ובמבנים יעילים יותר של ניצול משאבים, כמו פירוק יחידות עיבוד וזיכרון.

ממשק I/O חשמלי (כלומר, חיבורי נחושת) תומך בצפיפות רוחב פס גבוהה וצריכת חשמל נמוכה, אך מציע טווחים קצרים מאוד של כמטר אחד או פחות. מודולים אופטיים משולבים המותקנים במרכזי נתונים ואשכולות AI מוקדמים יכולים להגדיל את הטווח, אך במחירים ורמות צריכת חשמל שאינם ברי קיימא עם דרישות הסקלאביליות של עומסי עבודה של AI. פתרון xPU אופטי בחבילה אחת יכול לתמוך ברוחבי פס גבוהים עם יעילות צריכת חשמל משופרת, שיהוי נמוך וטווח ארוך יותר – בדיוק מה שנדרש לסקלאביליות של תשתיות AI/ML.

איך זה עובד:

הצ'יפלט האינטגרטיבי המלא (OCI) משלב את הטכנולוגיה הפוטונית המשולבת של אינטל ומעגל אינטגרציה פוטוני (PIC) הכולל לייזרים על השבב, יחד עם מעגל חשמלי. הצ'יפלט שהודגם בכנס OFC  היה משולב עם מעבד אינטל, אך יכול להשתלב גם עם מעבדים נוספים מהדור הבא GPus, IPUs ועוד מערכות על שבב (SOC).

הגרסה הראשונה של ה-OCI תומכת בהעברת נתונים דו-כיוונית של 4 Tbps, תואמת PCIe Gen5. החיבור האופטי החי שהוצג הדגים חיבור משדר (Tx) ומקלט (Rx) בין שני פלטפורמות CPU על סיב אופטי בודד. המעבדים ייצרו ומדדו את שיעור השגיאות הביטי האופטי  (BER), והדגימו את ספקטרום האופטי של ה-Tx עם 8 אורכי גל במרווח של 200GHz  על סיב בודד, יחד עם עין Tx במהירות 32Gbps

הצ'יפלט הנוכחי תומך ב-64 ערוצים של 32 Gbps בכל כיוון עד 100 מטרים, תוך שימוש ב-8 זוגות סיבים, כל אחד נושא 8 אורכי גל של ריבוב חלוקת אורך גל צפוף (DWDM). הפתרון המשולב גם חסכוני ביותר באנרגיה, צורך רק 5 פיקו-ג'ול (pJ) לכל ביט, לעומת מודולים אופטיים משולבים בעלי כ-15 pJ/ביט. רמת היעילות הגבוהה הזו קריטית למרכזי נתונים וסביבות מחשוב עתירות ביצועים, ויכולה לעזור להתמודד עם דרישות האנרגיה הלא בנות קיימא של AI.

כמובילה בשוק הפוטוניקה המשולבת, לאינטל יש יותר מ-25 שנות מחקר פנימי במעבדות החברה, שהיו מחלוצות הפוטוניקה המשולבת. אינטל היא החברה הראשונה שפיתחה ושלחה מוצרים מבוססי פוטוניקה משולבת בקנה מידה גבוה עם אמינות מובילה בתעשייה, וסיפקה יותר מ-8 מיליון PICs לשימוש זה עד כה.

ההבדל העיקרי של אינטל הוא האינטגרציה, לה אין מתחרים, תוך שימוש בטכנולוגיית לייזר היברידי על השבב ואינטגרציה ישירה, המספקות אמינות גבוהה יותר ועלויות נמוכות יותר. גישה ייחודית זו מאפשרת לאינטל לספק ביצועים מעולים תוך שמירה על יעילות. הפלטפורמה הגדולה של אינטל כוללת משלוח של יותר מ-32 מיליון לייזרים משולבים על השבב. ה-PICs  הללו נארזו במודולים משולבים, שהותקנו ברשתות מרכזי נתונים גדולים עבור ספקי שירותי ענן בקנה מידה רחב ליישומים של 100, 200 ו-400 ג'יגה ביט לשנייה.

הצ'יפלט הנוכחי של אינטל הוא אב טיפוס. אינטל כבר עובדת עם לקוחות נבחרים לשילוב OCI עם המערכת על שבב שלהם (SOC) כפתרון I/O אופטי. בנוסף, אינטל כבר מיישמת תהליכי ייצור פוטוניקה משולבת מהדור הבא להגדלת הביצועים ולהפחתת העלות. הצ'יפלט של אינטל מציין קפיצה קדימה בהעברת נתונים במהירות גבוהה. ככל שנוף תשתיות ה-AI מתפתח, אינטל נשארת בחזית, מובילה חדשנות ומעצבת את עתיד הקישוריות.

הפוסט אינטל מציגה Chiplet אופטי עבור מחשבי על ויכולות AI הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מסכי OLED חוללו מהפכה בתחום האלקטרוניקה הביתית. צגים שקופים, דקים, גמישים וחסכוניים אלה, המאפיינים בין היתר טלפונים חכמים, עדיפים בכמה היבטים על מסכי LCD או פלסמה. עם זאת, אף שהם נחשבים לחסכוניים יותר בחשמל, הם עדיין בזבזניים למדי: כמחצית מהאור שהם מפיקים יורדת לטמיון בשל מגבלה שנחשבה עד כה לנובעת מהמאפיינים הפיסיקליים של האור, ולכן בלתי-נמנעת. מחקר חדש, בהובלת מדעני מכון ויצמן למדע, עשוי לשנות את התמונה בכל המובנים. שיטה חדשה, שפיתחו פרופ' בינגהיי יאן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה ועמיתיו למחקר, מאפשרת לשלוט בתכונה חשובה של האור וכך להכפיל את בהירותם של מסכי OLED או, לחלופין, לשפר מאוד את יעילותם האנרגטית. יתרה מכך, השיטה החדשה עשויה לאפשר תקשורת נתונים מהירה יותר.

כדי להבין את בזבוז האור המתרחש גם במסכים המתקדמים ביותר בשוק, יש להתעכב תחילה על תופעת טבע בסיסית המכונה "כיראליות". בביולוגיה ובכימיה, כיראליות מתייחסת למולקולות שהן תמונת ראי האחת של השנייה, כלומר הן זהות מבחינה כימית, אך נבדלות במבנה המרחבי שלהן ולא ניתן להציבן כך שיחפפו זו את זו – ממש כמו כף יד ימין וכף יד שמאל שלנו (המושג כיראליות מקורו במלה היוונית שמשמעה "יד"). שתי מולקולות זהות אך כיראליות עשויות לפעול בדרכים שונות לחלוטין. לדוגמה, המולקולה אספרטיים ידועה כממתיק, ואילו תאומתה הכיראלית אינה ממתיקה כלל. בתעשיית התרופות ישנן מולקולות כיראליות, שרק גרסה אחת שלהן מרפאת, בעוד הגרסה השנייה במקרה הטוב אינה מועילה, ולעתים אף מזיקה. בפיסיקה, לעומת זאת, כיראליות מתייחסת לסיבוב של חלקיקים ביחס לציר תנועתם. כלומר, כשפוטונים או אלקטרונים מתקדמים בחלל, הם גם מסתובבים סביב צירם. כשהסיבוב הוא עם כיוון תנועתם, כמו קליע אקדח, הכיראליות של החלקיקים ימנית; כאשר הוא בכיוון ההפוך, הכיראליות שלהם שמאלית.



באופן מעניין, סוגי הכיראליות השונים – הפיסיקלית והביוכימית – מתכתבים זה עם זה: למשל, ידוע כיום כי הכיראליות הגיאומטרית של מולקולות אורגניות קובעת גם את הכיראליות של חלקיקים העוברים דרכן.

ומה עניין כיראליות לסמארטפונים? ובכן, מסכי OLED מצופים בשכבה חיצונית שקופה העשויה מחומר כיראלי אשר מסנן חלקיקי אור (פוטונים) לפי הכיראליות שלהם. הסינון הזה נחוץ כדי לנטרל אור סביבתי, הכולל פוטונים בעלי כיראליות ימנית ושמאלית גם יחד, ולכן עלול להוריד את הניגודיות של המסך ולהקשות עוד יותר את הצפייה בו באור יום. השכבה המסננת הזאת חיונית אמנם לתפעול מערכות תצוגה באור – נסו לנווט בעזרת הטלפון החכם שלכם בצהרי היום בלעדיה – אבל היא בזבזנית, שכן הכיראליות של כמחצית מהפוטונים שמפיק המכשיר אינה תואמת את זו של השכבה החיצונית ולכן הם אינם מגיעים אלינו.

במחקר החדש, פרופ’ יאן וצוותו מציגים שיטה יעילה לשליטה בכיראליות של פוטונים בעזרת שליטה בזרם אלקטרונים – דבר שנחשב עד כה לבלתי-אפשרי. הדרך להשיג זאת היא באמצעות רכיבי OLED הפולטים אור בשני כיוונים מנוגדים בו-בזמן: קדימה, אל משתמש הקצה, ואחורה, אל משטח המצופה בפולימר כיראלי שהותקן בגבם של הצגים. כך חצי מהאור המופק יעבור את השכבה החיצונית ללא הפרעה, כפי שקורה כיום, אבל שאר האור לא יבוזבז: הוא יפגע בשכבה שבגב הצג והיא תהפוך את הכיראליות שלו ותאפשר לו להגיע אלינו. אבל כיצד מהפך הפולימר בגב המכשיר את הכיראליות של הפוטונים?



ממצאים משונים – ובלתי-נמנעים

ובכן, היכולת להפך את הכיראליות של הפוטונים ראשיתה בתוצאות ניסוייות מוזרות ביותר של ד"ר לי ואן, אז חוקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת לינקופינג בשוודיה. "הממצאים האלה סתרו את כל מה שהיה ידוע בתחום", נזכר פרופ’ יאן. "מדענים אחרים התקשו להאמין לתוצאות. הם אמרו שבוודאי משהו השתבש בניסויים".

בניגוד למה שהיה ידוע בזמנו, ד”ר ואן והמנחה שלו דאז, פרופ' אלסדיר קמפבל, הראו שביכולתם להפוך את הכיראליות של זרם אלקטרונים באמצעות היפוך הקוטביות של סוללה המייצרת זרם חשמלי. פרופ' קמפבל היה משוכנע שהם גילו משהו חשוב, אבל הוא מת ב-2021, מבלי שנמצא הסבר תיאורטי לתוצאות הניסוייות המשונות. לאחר מותו, יצר ד"ר ואן קשר עם פרופ' יאן, לאחר שצפה בהרצאה ברשת, שבה מסביר פרופ' יאן באמצעות פיסיקה קוונטית כיצד קובעת כיראליות של חומר את הכיראליות של זרם אלקטרונים.

בעקבות פנייתו של ד"ר ואן, החל פרופ’ יאן לנתח את הממצאים הניסויים המשונים עם עוד שני מדענים: ד"ר יז'ו ליו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ופרופ' מתיו ג' פוכטר מאימפריאל קולג' לונדון. הודות לממצאים אלה, הרחיב פרופ’ יאן את התיאוריה שלו על כיראליות והראה כיצד מדובר בתוצאות בלתי-נמנעות של התיאוריה שהוא עצמו פיתח. גילויים חדשים אלה סללו בפני המדענים את הדרך לשליטה בכיראליות של האור הנפלט מזרם אלקטרונים: כל שהיה עליהם לעשות הוא להשתמש בפולימר כיראלי המאפשר שליטה בכיראליות של זרם האלקטרונים וכתוצאה מכך גם בזו של זרם הפוטונים.



"גילינו אחדוּת מעניינת בין היבטים שונים של כיראליות, שלכאורה מנותקים זה מזה: הגיאומטריה המבנית של חומר, הכיראליות של זרם אלקטרונים, וכעת גם הכיראליות של האור", מסכם פרופ’ יאן את המחקר החדש.

מעבר לייצור של מסכים יעילים יותר, ממצאי המחקר יכולים לשפר דרמטית את תחום העברת הנתונים הדיגיטליים באמצעות יצירה של מתגים אופטיים שיעבדו במהירות הרבה יותר גבוהה ממתגים מכניים. בנוסף, תוצאות המחקר מצביעות על הצורך לעדכן את ספרי הלימוד בכל הנוגע לכיראליות.

לעובדה שפרופ' יאן הגיע לתגליות האלה דווקא במכון ויצמן יש משמעות אישית בעבורו. פרופ' יאן נולד בסין והגיע לישראל לאחר שהות בארצות-הברית ובגרמניה כחוקר בתר-דוקטוריאלי. בהשראת מחקר מ-2011 של פרופ' רון נעמן מהמכון, החל פרופ' יאן להעמיק ביחסי הגומלין בין סוגים שונים של כיראליות. ב-2017, לאחר שכבר הצטרף לסגל המכון ועבר לישראל עם אשתו ושני ילדיו, נפל לו האסימון, וכעת הוא קולגה של פרופ' נעמן – מי שהצית את עניינו בכיראליות מלכתחילה. "זו סגירת מעגל בעבורי", אמר פרופ’ יאן, "ויש לזה גם ערך מוסף: אני יכול, מעת לעת, לקפוץ לרון ולשתות קפה ביחד תוך כדי שיחה על כיראליות".

הפוסט ויהי אור, יותר אור הופיע לראשונה ב-Chiportal.

קרני אור מתקדמות בתווך אחיד כגון אויר או זכוכית בקווים ישרים, אך לעומת זאת ניתן לעקם את המסלול של חלקיקים טעונים כגון אלקטרונים על ידי הפעלת שדה חשמלי או מגנטי. בניסוי שנערך לאחרונה באוניברסיטת תל אביב ופורסם בכתב העת היוקרתי Nature Photonics הראו החוקרים כי ניתן גם לפצל ולעקם את המסלול של אלומות אור, על ידי שימוש באלומת אור נוספת ובגביש לא ליניארי.

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ומבית הספר לפיזיקה של אוניברסיטת תל אביב כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי) ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי.  הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

כיום, 100 שנים לאחר הניסוי המקורי, ביצעו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב ניסוי מקביל באופטיקה, בו קרני אור פוצלו באמצעות אינטראקציה לא-לינארית (אינטראקציה בה קרני אור יכולות להשפיע אחת על השנייה).

במסגרת הניסוי, החוקרים השתמשו בגבישים  אופטיים לא ליניאריים. לטענתם לרוב, משתמשים בגבישים אלה בשביל לבצע המרות תדר – כלומר קרן לייזר באורך גל (צבע) מסוים תהפוך לקרן באורך גל אחר.

פרופ' עדי אריה מסביר: "בניסוי זה, שלחנו 3 אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב – אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה.

פרופ' אריה מוסיף כי "אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה) והיא נעה ימינה ובאלומה השניה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי. כמו כן, אפשר להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול – הקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

לסיכום, החוקרים מסבירים פיצול מרחבי של אורכי גל אינו דבר חדש. מנסרה למשל, מאפשרת פיצול מרחבי של אורכי גל לזוויות שונות, ואולם פיצול זה הוא קבוע ומפריד כל צבע לכיוון אחד. בניסוי שהודגם במסגרת מחקר זה, הפיצול מאפשר להשתמש בשילוב אורכי גל, כתלות במופע ביניהם, ולשלוט בזווית הפיצול על ידי אלומת אור נוספת. לתופעה זו יש יישומים פוטנציאלים בתחומים של עיבוד אותות ותקשורת אופטית, תקשורת קוונטית,  חישוב קוונטי, חישה מדויקת ועוד. החוקרים מאמינים שהניסוי יהווה את נקודת הפתיחה לניסויים נוספים שמנצלים את ההקבלה בין מערכות של אלקטרונים בשדה מגנטי לבין מערכות אופטיות.

למאמר המדעי

הפוסט שיטה חדשה לעקם ולפצל קרני אור בצבעים שונים על ידי תהליך אופטי לא ליניארי הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בשנת 2015 הכריז ארגון אונסק"ו על שנת האור, לרבות טכנולוגיות מבוססות-אור,  והעלה למודעות את ההישגים השונים של מדע האור והיישומים החשובים שלו. באותה שנה נרשמו  13,000 פעילויות שלקחו חלק ב- 147 מדינות ופנו לקהל יעד של כ- 100 מיליון איש. כדי להמשיך את המסורת, ב- 2016,  הכריז  אונסק"ו על ה- 16 למאי כיום האור הבינלאומי, זאת משום  שהניסוי הראשון בלייזרים שצלח, התרחש בתאריך זה בשנת 1960.  "מאז, כנס יום האור הפך למסורת שנחגגת מדי שנה באוניברסיטת בן גוריון בנגב, זאת כחלק מן ההכרה בחשיבות האור לאנושות" אומר פרופ' גבי סרוסי, ראש המחלקה להנדסת אלקטרואופטיקה ופוטוניקה, "אנחנו מציינים את היום הזה במגוון פעילויות עיוניות ולימודיות."

הכנס  השנה כלל את מושב הבוקר שהוביל פרופ' גבי סרוסי, ראש המחלקה להנדסת אלקטרואופטיקה ופוטוניקה ומושב אחר הצהרים שהוביל פרופ' מארק שוורצמן, ראש תחום חומרים אלקטרוניים במחלקה להנדסת חומרים. בשני המושבים הציגו דוקטורנטים ופוסט-דוקטורנטים נבחרים מהמחלקות האמורות, את נושאי המחקר שלהם, בנושאים הנמצאים בחזית המדע, כגון: ננו-פוטוניקה, פלזמוניקה, מטה-חומרים ועוד. בנוסף, בזמן הפסקת הצהרים נערך מושב מיוחד שבמהלכו הציגו הסטודנטים את עבודותיהם בפורמט של פוסטרים.

מרצי האורח בכנס היו פרופ' מוטי שגב, מהמחלקה לפיזיקה בטכניון וחתן פרס ישראל לפיסיקה וכימיה, ופרופ' אוריאל לוי, מהמחלקה לפיזיקה יישומית ומהמרכז לננו טכנולוגיה באוניברסיטה העברית. פרופ' שגב סיפר על ההתמודדות שלו עם אחת הבעיות הגדולות באופטיקה של לייזרים: כיצד לייצר  לייזרים בעלי עוצמה גבוהה תוך הימנעות מבעיה של  מיקוד-עצמי ואפקטים של נזקים פנימיים.  אחד הפתרונות שהציג פרופ' שגב מציע להשתמש במערכים של לייזרים מוליכים למחצה (LD), כאשר המחקר החלוצי שלו משתמש ברעיון של חומרי-בידוד טופולוגיים,  שנחשפו לראשונה בשנות ה- 80. חומרים אלה מאלצים כמות גדולה של  לייזרים מוליכים למחצה לפעול יחד כמו לייזר קוהרנטי אחד, יעיל ובעל עוצמה גבוהה. 

פרופ' לוי הציג בהרצאתו עדשות דקות המבוססות על meta-materials  והראה איך meta-surfaces יכולים לשמש לשבירת גבול הדיפרקציה (הרזולוציה הטובה ביותר האפשרית עבור מיקרוסקופ) ברישום אופטי. לרעיון זה יש חשיבות רבה בתעשייה המוליכים למחצה שכן למצעים הללו יש היתכנות גבוהה להחליף את הסיליקון וכך למזער אף יותר את גודל הטרנזיסטורים.

חברת KLA, המפתחת ומייצרת מערכות בקרה ומדידה לשוק המוליכים-למחצה והמיקרו-אלקטרוניקה, רואה חשיבות רבה בטיפוח קשרי תעשייה-אקדמיה ומעניקה מדי שנה עשרות מלגות לחוקרים מצטיינים במגוון מקצועות ותחומי מחקר. במסגרת זו, ב- 3 השנים האחרונות שותפה KLA ליום העיון באוניברסיטה בגיבוש התכנים וחלוקת מלגות, והשנה העניקה  שש מלגות  לדוקטורנטים ופוסט-דוקטורנטים מצטיינים משתי המחלקות,  כמו גם, שישה פרסים לפוסטרים הזוכים אשר נבחנו על פי האיכות המדעית שלהם ואופן הצגה.

"כדוקטור לכימיה היה חשוב לי להראות לסטודנטים ש- KLA היא חברה מולטי-דיסיפלינרית וחולשת על כל שוק המיקרו-אלקטרוניקה מייצור השבב, דרך המארז ועד המעגל המודפס" אומרת ד"ר נאוה שפייזמן, מנהלת שיתופי פעולה אסטרטגים ב- KLA ומי שהובילה את הכנס מטעם החברה.

"הספקטרום הרחב הזה מאפשר לבוגרים בתחומי לימוד שונים ומגוונים למצוא את מקומם בחברה כמו שלנו, ויחד איתנו לתמוך בייצור של התעשיות המתקדמות ביותר בעולם בדרך לייצור המוצר פורץ הדרך הבא."

בנוסף, ברכו את המשתתפים בכנס דיקאן הפקולטה להנדסה פרופ' אבי לוי, ראש בית הספר להנדסת חשמל  פרופ' בעז רפאלי, שניהם מאוניברסיטת בן גוריון בנגב.

הפוסט פרופ' אוריאל לוי, האוני' העברית: "החומר שיחליף את הסיליקון ויאפשר למזער אף יותר את הטרנזיסטורים" הופיע לראשונה ב-Chiportal.

כתב העת היוקרתי Nature Communications מדווח על שיפור טכנולוגי דרמטי ביצירת רכיבים אופטיים מדויקים: הדפסת הרכיבים באמצעות מדפסת תלת-ממדית סטנדרטית ושיקועם בתוך נוזל. את הפיתוח הובילו הדוקטורנטית רעות אורנג'-קדם וד"ר יואב שכטמן מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.

ייצור רכיבים אופטיים מדויקים הוא אתגר טכנולוגי-מדעי שהשלכותיו משתרעות על פני תחומים מדעיים ויישומיים רבים ובהם מיקרוסקופיה, טלסקופיה, חקר חומרים ודימות רפואי. האתגר גדול במיוחד בייצור רכיבים זעירים הדורשים ייצור ודיוק בסקאלת הננו (מיליונית המילימטר). שיטות הייצור הקונבנציונליות של רכיבים אלה מסובכות מאוד, יקרות, ארוכות ומצריכות תנאי סביבה נוקשים (חדרים נקיים), ולעיתים הן מוגבלות לייצור צורות מסוימות בלבד.

חוקרי הטכניון פיתחו שיטת ייצור חדשה המאפשרת לא רק לייצר רכיבים אופטיים יעילים ומדויקים, אלא אף להתגבר על מגבלות עקרוניות בשיטות ייצור מקובלות. כל זה מבוצע במדפסת תלת-ממד סטנדרטית, והתוצאה: הרכיבים נעשים זולים בכמה סדרי גודל ונפתחת אפשרות לייצר רכיבים בצורות שלא היו אפשריות עד כה, ובעתיד אף רכיבים שמעולם לא יוצרו.

ה"טריק" שפיתחו ד"ר שכטמן ורעות אורנג'-קדם הוא שיקוע של הרכיב האופטי בתוך נוזל ייעודי, מהלך הגורם לרכיב האופטי להיראות גדול פי 1,000. "טריק" זה מבוסס על בחירה של נוזל המותאם לרכיב במונחים של מקדם שבירת האור – גודל המתאר את מהירות האור בתוך החומר. הנוזל הייעודי נבחר כך שמקדם השבירה שלו קרוב מאוד למקדם השבירה של הרכיב האופטי, ובכך כוחו האופטי "מוחלש" בכמה סדרי גודל ביחס לכוחו באוויר. עובדה זו מצריכה הגדלה של הרכיב האופטי כדי שימלא את מטרתו. יתרון השיטה הוא בכך שחסינות הרכיב האופטי לשגיאות ייצור גדלה גם היא, וכך מתאפשרת הדפסת הרכיב כולו במדפסת תלת-ממד סטנדרטית (למעשה מודפסת תבנית שלתוכה יוצקים פולימר שקוף שמהווה את הרכיב עצמו). החוקרים מסבירים כי הדבר דומה להתאמה האבולוציונית של עין הדג ששונה מבחינה אופטית מעין האדם, בין השאר עקב הצורך שלה לתפקד בסביבה אחת (מים) שבה מקדם השבירה קרוב למקדם השבירה של העין, בשונה מהמצב באוויר.

כדי לבחון את ישימות הטכנולוגיה ערכו החוקרים צילום של חלקיקים ושל תרביות תאים וכך הדגימו את יעילותה בדימות של רכיבים דוממים וחיים בתלת-ממד. הטכנולוגיה, לדבריהם, עשויה להיות רלוונטית למגוון רחב של יישומים ובהם עיבוד לייזר, תקשורת, מיקרוסקופיה מדויקת וייצור של התקנים סולריים ורכיבים אלקטרוניים (ליתוגרפיה). יתר על כן, הטכנולוגיה החדשה גמישה מאוד ואפשר להתאימה לתנאי ניסוי ולתנאי סביבה משתנים.

ד"ר יואב שכטמן הוא חבר בפקולטה להנדסה ביו-רפואית ובמכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה (RBNI) ובמרכז הבין תחומי למדעי החיים וההנדסה ע”ש לורי לוקיי, ורעות אורנג'-קדם היא סטודנטית לדוקטורט בהנחייתו. המחקר הנוכחי נתמך על ידי מענק ERC (תוכנית Horizon 2020), קרן צוקרמן ורשות החדשנות.

למאמר בכתב העת המדעי Nature Communications לחצו כאן

הפוסט שיפור טכנולוגי דרמטי ביצירת רכיבים אופטיים מדויקים בטכניון  הופיע לראשונה ב-Chiportal.

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).

• למאמר ב- Nature Photonics
• חוקרים בטכניון פיתחו טכנולוגיה המשלבת ננואופטיקה ומגנטיות לאבחון אי-אחידות ננומטרית בשבבים אלקטרוניים ובפוטונים
• “המפץ הגדול” בננואופטיקה

הפוסט טכנולוגיה חדשנית למיפוי שדות אלקטרומגנטיים ואינטראקציית אור-חומר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

טרמאונט (Teramount), סטארטאפ ירושלמי הפועל בתחום הסיבים האופטיים והסיליקון פוטוניקס (Silicon Photonics), ושידיעה עליו פרסמנו כבר בשנת 2014 , הודיע היום (שלישי) על השלמת סבב גיוס של 8 מיליון דולר בהובלת Grove Ventures (גרוב ונצ'רס) ובהשתתפות Amelia Investments, דדי פרלמוטר, לשעבר סגן נשיא בכיר באינטל העולמית המשמש גם כיו״ר הדירקטוריון של החברה ומשקיעים פרטיים נוספים.
המוצר העיקרי של החברה מכונה פוטוניק פלאג, ותפקידו לפשט את הממשק בין הסיבים האופטיים ושבבי הסיליקון.

החברה נרשמה ב-2013, אך החלה מעשית את פעילותה ב-2015 על ידי ד״ר הישאם טאהא, מנכ״ל החברה, וד״ר אבי ישראל, סמנכ״ל הטכנולוגיות, שהקימו אותה במטרה לאפשר חיבוריות אופטית להעברת מידע במהירויות גבוהות עבור חוות שרתים (Data Centers) ותשתיות תקשורת של הדור הבא. סבב הגיוס ישמש למעבר לייצוריות ויאפשר לחברה להכפיל את מצבת העובדים שלה עד סיום השנה. החברה כבר החלה בגיוסי מפתח למגוון תפקידים ובהם מהנדסי חומרה.
הפתרון שפיתחה טרמאונט, אותו עיגנה בפטנטים מאושרים, מציג שיפור של פי 100 בטולרנטיות (Tolerance) של חיבור הסיבים האופטיים לשבבי סיליקון פוטוניקס ביחס לטכנולוגיות קיימות בשוק וכן מאפשר אינטגרציה של כמות מוגדלת של עשרות סיבים אופטיים עם שבבי הסיליקון פוטוניקס (לעומת חיבור של סיבים אחדים כיום). בנוסף, הטכנולוגיה תאפשר גידול משמעותי בהיקף הטמעת שבבי הסיליקון פוטוניקס על ידי סטנדרטיזציה של תהליך האריזה וזאת בדומה לתהליך הקיים כיום בתחום המוליכים למחצה (Semiconductors).

"תחום הסיליקון פוטוניקס הגיע לבשלות. עד כה היה צוואר בקבוק. תעבורת התקשורת אל מרכז הנתונים וממנו נעשית באמצעות סיבים אופטיים, והעיבוד נעשה בשבבי סיליקון. הקישור ביניהם נעשה בצורה שמאטת את קצב העברת הנתונים, מכיוון שאי אפשר לחבר יותר מאשר כמה סיבים לשבבים שמפתחות היום החברות הגדולות כגון סיסקו ואינטל עבור מרכזי נתונים."

"כבר כמה שנים יש בעיה רצינית שלא יודעים לקחת את האור פנימה והחוצה מהמעבדים, הופכים את האופטיקה לביטים הלוך וחזור. המערכת שפיתחנו מהווה את החיבור בין העולם החיצוני של הסיבים האופטיים לבין השבבים הסטנדרטיים."

לדבריו, לא ירחק היום והתעבורה בין שבבים שכנים בתוך השרתים במרכז הנתונים תהיה באמצעות קישור אופטי, כך שהם יוכלו להתקשר ביניהם במהירות האור, תוך הקטנת צריכת האנרגיה שהיא גורם הוצאות מרכזי בתפעול מרכזי נתונים.

לדברי טאהא בהמשך הכוונה היא ליישם את הטכנולוגיה גם בתחום הרכב ("מכונית היא דטה סנטר על ארבעה גלגלים)" ברשתות 5G מתקדמות, מערכות חישה מתקדמים, תחבורה חכמה, מחשוב ענן כבד, מכונות מבוססות AI ועוד.

הכפלת מספר העובדים

לדבריו, ההשקעה של גרוב ונצ'רס תאפשר לטרמאונט להאיץ את הפיתוח ולהכפיל את צוות החברה. ״ההשקעה הנוכחית בחברה מעידה כי תעשיית המוליכים למחצה מזהה את ההבטחה הגדולה הטמונה בטכנולוגיית הפוטוניק-פלאג שפיתחנו ומאמינה ב מימוש הפוטנציאל האדיר הטמון בסיליקון פוטוניקס ובהטמעת הטכנולוגיה בעולמות ה-AI, ה-5G ועוד״, אומר הישאם טאהא, מנכ״ל טרמאונט. ״כעת, לאחר התוצאות המצוינות שהצגנו ובתמיכת ההון שגויס, עלינו לממש את קפיצת המדרגה הטכנולוגית גם בייצור ולהשיג דריסת רגל משמעותית בשוק״.

"הלקוחות שלנו הן חברות הענק הטכנולוגיות, ולכן חיפשנו למועצת המנהלים דמויות בעלות נסיון בחברות כאלה, כי צריך לדעת כיצד לעבוד מולם, ובראשם כמובן דדי פרלמוטר וליאור הנדלסמן." הוסיף טאהא.

״הצורך הבלתי-נגמר ברוחב פס גבוה במרכזי הנתונים (Data Centers), מעודד את המעבר לחיבוריות אופטית, כאשר שיקולי צריכת הספק והתחממות מצריכים אינטגרציה של אופטיקה ישירות לסוויצ׳ים מסיליקון״, אומר ליאור הנדלסמן, שותף בכיר ב-Grove Ventures, שהובילה את ההשקעה בחברה. ״אנחנו סבורים שהיעדר פתרון אמין המאפשר חיבור מאות סיבים לשבב סוויץ׳ במרכזי נתונים במחיר משתלם, היה עד כה הגורם המשמעותי ביותר שמנע אימוץ נרחב של מוצרי סוויץ׳ מבוססי סיליקון פוטוניקס. טכנולוגיית הפוטוניק-פלאג של טראמאונט עונה בדיוק על הצורך הנדרש ופותרת את הבעיה״.

לימודים בחללים מאולתרים

טאהא ואבי ישראל למדו ביחד באוניברסיטה העברית, ועבדו בחברות נפרדות, כאשר טאהא רכש בינתיים נסיון בינלאומי, ולאחר כמה שנים של בישול הרעיון, החברה החלה לפעול ב-2016. כיום היא מונה שבעה עובדים ויושבת במתחם ההייטק בקמפוס האוניברסיטה העברית, אך אין קשר בין הטכנולוגיה שפיתחו לבין האוניברסיטה העברית, הם גם שילמו לדבריו על השימוש בחדר הנקי של האוניברסיטה.

בשנות השבעים מצב התשתיות בכפרים הערבים היה גרוע ביותר. אבל אצל טאהא האוניברסיטה היתה חוויה מתקנת. הוא נולד וגדל בכפר בועינה שבבקעת בית נטופה בגליל. באותן שנים היה בכפר רק בית ספר יסודי אחד, שהמבנה שלו הספיק רק למחצית התלמידים. "כך קרה שעד כיתה ח' למדנו בכל מיני חללים בכפר, לפעמים היינו צריכים להחליף מקום כי לבעל הבניין נדרשה חנייה נוספת, פעם הם נאלצו להזעיק עזרה דרך הרמקולים במסגד המקומי כאשר המים הציפו את המרתף בו למדו. במקרים רבים, התלמידים התפזרו בחללים רבים, כמעט בלי תקשורת ביניהם."

"אני למדתי במחזור הראשון שסיים תיכון בכפר, עד אז התלמידים למדו מחוץ לכפר. בתיכון היה מורה טוב לפיזיקה – לפעמים מורה טוב מושך לכיוון שלו. אחר כך, לאחר תקופה של עבודות שונות, התקבלתי לאוניברסיטה העברית והמשכתי בפיזיקה. החברים בכפר לעגו לי: "מה תעשה עם פיזיקה? תלך לעבוד בכור בדימונה? הרי ממילא תחזור לכפר ותהיה מורה."

עם תחילת הלימודים הבנתי שזה תחום מאוד מעניין שאני יכול לגדול בתוכו ולעשות דברים גדולים. בחברה שעבדתי בה קודם לכן, יצא לי לפגוש כמעטי כל קבוצת מחקר שעוסקת בתחום הפוטוניקה. הייתי נוסע המון, מיפן במזרח ועד לקליפורניה במערב. למדתי איך עובדים בחברה בינלאומית, וכשאני ואבי הקמנו את החברה יכולנו להשתמש בידע שצברתי גם בתחום הניהולי."

הפוסט "בקרוב הקשר בין שבבים שכנים במרכז הנתונים יהיה אופטי" כך אומר בראיון אישי מנכ”ל חברת השבבים הצעירה טרמאונט הופיע לראשונה ב-Chiportal.

לצבוע את התנועה

"המונח 'חשיפה ארוכה' מתייחס תמיד למהירות העצם המצולם", מסביר הדוקטורנט שי אלמלם מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, שפיתח את שיטת העיבוד המשולבת, בהנחיית פרופ' עמנואל מרום ז"ל וד"ר רג'א ג'יריס. "כשמצלמים מכונית מרוץ, גם חשיפה של עשירית שנייה עלולה להיות ארוכה מדי, ואם המצולם הוא אדם הולך – חשיפה ארוכה תיחשב לכזו של שנייה או יותר. בגישה המקובלת כיום, מתכננים עדשה שתייצר את התמונה הטובה ביותר, כלומר הדומה ביותר למה שרואה העין האנושית, ואחר כך מנסים לפתור את העיוותים בעיבוד דיגיטלי. אבל כמו שיודע כל בעל טלפון סלולרי שמצוייד במצלמה – היא לא תמיד יעילה, ולכן עדיין קשה מאוד לצלם עצמים זזים".

על ידי תכנון משולב של הרכיבים האופטיים ושל האלגוריתמים שמעבדים את התמונות, אלמלם ועמיתיו שתלו בתמונה הגולמית רמזים לנתוני התנועה, שהאלגוריתם יודע לקרוא ולתקן. הרמזים נשתלו באמצעות שני רכיבים אופטיים, שמשולבים בעדשה רגילה: לוחית פאזה שקופה שפותחה על ידי החוקרים, ועדשת מיקוד (פוקוס) אלקטרונית מסחרית. הלוחית מכילה מבנה אופטי-מיקרומטרי, שנועד ליצור תלות בין הצבע למיקוד, ואילו עדשת המיקוד מתוזמנת כך שתבצע שינוי מיקוד הדרגתי תוך כדי הצילום. כתוצאה מכך, עצמים נעים נצבעים בצבעים שונים בזמן התנועה. קידוד הצבעים מאפשר לאלגוריתם לפענח את כיוון ומהירות התנועה של העצם, מה שמאפשר לו לתקן את המריחה ולשחזר את חדות התמונה. תוצאות המחקר החדשני התפרסמו בכתב העת היוקרתי Optica.

הסוף למריחות

"בכל שבריר שנייה של חשיפה, המצלמה שלנו מצלמת בצורה קצת שונה, כך שמריחה של עצם זז לא תהיה אחידה, אלא תשתנה עם התנועה", מסביר אלמלם. "כדי להבין לאן וכמה מהר זז העצם בתמונה, אנחנו משתמשים בצבע. כך לדוגמא, כדור לבן שאזרוק פתאום לתוך הפריים ייצבע בצבעים שונים לאורך התנועה שלו, בדומה להעברת אור דרך מנסרה, ולפי הצבעים האלה האלגוריתם שלנו ידע מאיפה הכדור נזרק ובאיזו מהירות, וכך יוכל לתקן את המריחה. אם במצלמה רגילה היינו רואים שובל לבן, שהיה מעוות את החדות של התמונה כולה, במצלמה שלנו התוצאה הסופית תהיה כדור לבן ברור ומפוקס".

לדברי אלמלם, המערכת האופטית שפיתחו יכולה לשפר כל מצלמה בעלות מינימלית. "הפוטנציאל רחב מאוד: משימוש בסיסי כמו במצלמות של טלפונים, ועד לשימושים מחקריים, רפואיים ותעשייתיים, ואפילו לבקרים של קווי ייצור, מיקרוסקופים וטלסקופים. כולם סובלים מאותה בעיה של מריחות, ואנחנו מציעים פתרון מערכתי לבעיה הזאת". הפיתוח כבר נרשם כפטנט, ומספר חברות כבר הביעו עניין ברכישתו באמצעות חברת רמות למסחור הטכנולוגיה של אוניברסיטת תל אביב.

פרופ' מרום נפטר במהלך המחקר, והמאמר שפורסם הוקדש לזכרו. פרופ' מרום ז"ל היה ממקימי הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב, שימש כדקאן הפקולטה בשנים 1983-1980, וכסגן נשיא האוניברסיטה בשנים 1997-1992. לאחר שפרש לגמלאות המשיך פרופ' מרום לעסוק במחקר פעיל ולהנחות סטודנטים לתארים מתקדמים, ממש עד יומו האחרון.

הפוסט פיתוח טכנולוגי של אוניברסיטת ת"א יאפשר לצלם חפצים, בני אדם ובעלי חיים בזמן שהם זזים, תוך שמירה על חדות התמונה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מהטכניון הדגימו לראשונה תצפית ניסויית בהסתעפות קרני אור. הממצאים התפרסמו הערב על שער כתב העת המדעי היוקרתי Nature. את המחקר פורץ הדרך ערכו הדוקטורנט אנטולי (טוליק) פצוק וד"ר מיגל בנדרס, שהיה פוסט-דוקטורנט בטכניון והיום הוא חבר סגל ב-CREOL, מכון המחקר לאופטיקה ופוטוניקה ב-UCF, בהנחייתם של נשיא הטכניון פרופ' אורי סיון ופרופ'-מחקר מוטי שגב מהפקולטות לפיזיקה ולהנדסת חשמל.

כשגלים עוברים דרך תווך שיש בו הפרעות – תווך לא הומוגני – הם מתפזרים, ולעתים מתפזרים לכל הכיוונים. פיזור האור הוא תופעה טבעית המתרחשת במקומות רבים בטבע והוא, לדוגמה, הגורם לכך שהשמים נראים לנו כחולים.

מתברר שכאשר ההפרעות האמורות משתנות על פני מרחקים גדולים מאורך הגל נוצר דפוס פיזור ייחודי מאוד: האור יוצר ערוצים (ענפים) של עוצמות מוגברות, וערוצים אלה ממשיכים להסתעף שוב ושוב ככל שהגל מתקדם. תופעה זו נצפתה לראשונה בתנועת אלקטרונים כבר בשנת 2001, ונקראה בשם "זרימה מסועפת" (Branched Flow) בעקבות אותה תגלית הועלתה ההשערה שזרימה מסועפת תתקיים גם בסוגי גלים אחרים בטבע ובהם גלי קול ואפילו גלי ים. כעת גילו חוקרי הטכניון את התופעה האמורה בעולם האופטיקה, ודרך הניסויים באופטיקה התגלו תכונות חדשות של התופעה ורעיונות חדשים לחלוטין.

"הזרימה המסועפת של האור לא הייתה התופעה שחיפשנו מלכתחילה," אומר פרופ' מיגל בנדרס. "מטרת המחקר הייתה לעצב אלומות של לייזר בתווך שהוא מרחב עקום – קליפה כדורית דקה. הקליפה הדקה ביותר שאנו מכירים היא בועת סבון, ולכן שיגרנו קרני לייזר לתוך הקליפה המולקולרית של בועת סבון. אבל כשהצלחנו ליצור בועת סבון מספיק יציבה כך שניתן לשלוח את האור הלייזר לתוכה – גילינו להפתעתנו שהאור מסתעף בתוך הקליפה שוב ושוב כמו ענפים וענפי משנה שצומחים מעץ." עברה שנה עד שהבנו שההסתעפויות נובעות משינויים קטנים בעובי הקליפה, אשר משתנה מנקודה לנקודה. במצב רגיל שינויים כאלה מפזרים את האור לכל הכוונים, אולם מסתבר שכאשר "הפרעות העובי" האלה אינן אקראיות לחלוטין – אלא הן בעלות גודל אופייני (כמו הרים וגאיות) – האור מתפזר מהן על ידי יצירת הסתעפויות.

במחקרם הקרינו החוקרים קרן לייזר על קרום סבון דקיק שעוביו משתנה באופן אקראי. הם גילו שכשהאור נע בתוך הקרום הוא יוצר ענפים ארוכים – זרימה מסועפת. לדברי הדוקטורנט טוליק פצוק, "באופטיקה אנחנו עובדים בדרך כלל קשה כדי לאפשר לאור לנוע כאלומת אור צרה וממוקדת, אבל כאן הופתענו לגלות שהמבנה האקראי של קרום הסבון מיקד בעצמו את האור ויצר תמונה המזכירה ענפים של עץ. הטבע מזמן לנו הפתעות, וזו אחת מהן."

"ההצלחה בהדגמת התופעה של זרימה מסועפת של האור באופטיקה פותחת דרכים חדשות לחקירה ולהבנה של תופעות גליות," אומר פרופ' אורי סיון, נשיא הטכניון חבר סגל בפקולטה לפיזיקה ומחזיק הקתדרה ע"ש ברטולדו באדלר, "שום דבר אינו מלהיב יותר מגילוי של תופעה חדשה בטבע, וזו ההדגמה הראשונה של התופעה האמורה בגלי אור. מסתבר שכשהטבע מחייך אפשר לגלות תופעות מרתקות במערכות פשוטות מאוד, ולשם כך עלינו רק להיות קשובים מספיק. היה כאן מאמץ משותף של חוקרים מתחומים שונים, עם השקפות שונות ורקע שונה, שהוביל לגילויים מרתקים."

"ההצלחה בתצפית על זרימה מסועפת של האור פותחת אפשרויות חדשות במחקר, החל באפיון התווך שבו האור מתקדם בדיוק רב מאוד וכלה במעקב מדויק אחר ענפים אלה ולימוד תכונותיהם," הוסיף פרופ' סיון.

"יש כאן תגלית מדעית שפורסמה על שער מגזין Nature בזכות העובדה שהיא פותחת תחום חדש באופטיקה, אפילו שכרגע אין לה יישומים מיידיים," אמר פרופ'-מחקר מוטי שגב, מחזיק הקתדרה ע"ש ד"ר בוב שילמן וחבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים. "הסיפור של התגלית הזאת מעניין מאוד – הסטודנט טוליק חיפש דבר אחד וגילה תופעה אחרת לגמרי, ובמקום להתעלם ממנה ולהמשיך בחיפוש הראשוני הוא שאל את עצמו, ואותנו, מה קורה כאן. כך אני מלמד את הסטודנטים שלי לעבוד – תמיד להתבונן בעובדות הניסוייות כפי שהן ולא להתעלם מתופעות שאנחנו רואים ומתקשים להסביר. טוליק ומיגל הצליחו לשפר את מערכת הניסוי משמעותית, למדו לייצב את בועות הסבון כך שלא התפוצצו למרות הסיב האופטי הדוקר אותן (דרכו האור מוכנס לבועה), עד לרמה שאפשרה לבודד את הפיזיקה שפועלת כאן. נדרשה לנו עוד שנה שלמה כדי להבין שאנו רואים בעצם זרימה מסועפת של האור (Branched Flow of Light), תופעה שמעולם לא נחקרה בהקשר של גלי אור."

לדברי פרופ'-מחקר שגב, "בעקבות התצפית הזאת נוכל לחשוב על המון כיוונים חדשים. לדוגמה, שליטה בהסתעפות האור כדי לשלוט בזרמים בתוך נוזל, או שילוב של סבון וחומר פלורוסנטי שיהפוך את הענפים למקורות לייזר זעירים, או שימוש בקרום הסבון כפלטפורמה לחקר התנהגות גלית. המחקר פורץ הדרך הזה יכול להוביל למחקרי המשך מגוונים בתחומים רבים, וכפי שנהגנו פעמים רבות בעבר, גם כעת אנחנו שואפים לחקור וללכת למחוזות שאיש עוד לא ביקר בהם."

פרויקט המחקר נמשך כעת במעבדותיהם של פרופ'-מחקר שגב ופרופ' סיון בטכניון, ובמקביל במעבדתו החדשה של פרופ' מיגל בנדרס ב-UCF. המחקר נערך במכון למצב מוצק בשיתוף עם מכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI) בטכניון.
למאמר המדעי ב-Nature

הפוסט זרימה מסועפת של האור חוקרים בטכניון הציגו לראשונה בעולם תצפית של הסתעפות קרני אור הופיע לראשונה ב-Chiportal.

למרות יתרונותיהן הרבים של מתכות בהעברת מידע ממעגל חשמלי אחד לשני ע"ג סיליקון המצוי בתוככי מחשבים והתקנים אלקטרוניים אחרים, מהנדסי חשמל מאוניברסיטת דיוק טוענים כי אותות אופטיים עשויים להעביר נפח מידע גדול יותר. בעקבות כך, המהנדסים תכננו והדגימו את פעולתם של לייזרים בגודל מיקרוסקופי המשולבים בתוככי שכבות דקיקות של מוליכי אור ע"ג סיליקון שיוכלו בעתיד להחליף את המתכת נחושת במגוון מוצרים אלקטרוניים.
לא רק שהמבנים ע"ג הסיליקון מכילים לייזרים פולטי-אור זערוריים, אלא שהם גם מחברים את הלייזרים הללו לתעלות המוליכות במדויק את האור הנפלט למטרתו, לרוב שבב או רכיב אלקטרוני אחר סמוך. גישה חדשנית זו תוכל לסייע לאותם מהנדסים אשר מעוניינים לפתח מחשבים והתקנים חשמליים מהירים וזעירים יותר תוך שימוש באור כנשא המידע של הדור הבא.
המהנדסים מאמינים כי הם הצליחו לפתור חלק מהחידות שהיו פתוחות בפני המדענים שניסו להפיק ולשלוט באור בקנה-מידה זערורי זה.
"הפקת אור והולכתו דרך סיליקון באופן מבוקר הינם הצעדים הראשונים בדרך לפיתוח מערכות אופטיות בגודל של עולם השבבים," אמרה Sabarni Palit, חוקרת במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת דיוק. ממצאי המחקר, שקיבל סיוע מהמשרד למחקר צבאי, פורסמו בכתב-העת המדעי Optics Letters.
"האתגר היה הייצור של אור בקנה-מידה קטן זה על סיליקון, והערובה שהוא מועבר ביעילות וללא אובדני אנרגיה לרכיב הבא," אמרה החוקרת. "מצאנו דרך לייצר מבנה של מעטה דקיק המשולב ע"ג הסיליקון שלא רק מכיל את מקור האור וניתן לקירור, אלא המסוגל גם להוליך במדויק את הגל לרכיב הבא בתור," מסבירה החוקרת. "שילוב זה הינו גישה הכרחית לכל מערכת מבוססת אור בקנה-מידה מיקרוסקופי."
צוות המחקר הצליח לפתח שיטה להכנת מצע דקיק של לייזר, ולחבר אותו למשטח של סיליקון. הלייזרים מחוברים למבנים נוספים באמצעות הנחת שכבה מיקרוסקופית של פולימר המכסה את קצהו האחד של הלייזר וממשיכה לתוך תעלה המובילה לרכיבים הסמוכים. לכל שכבה של הלייזר ולכל תעלה מוליכת אור ניתנים מאפיינים, או תפקודים ייחודיים, באמצעות תהליכי ננו- ומיקרו-ייצור מיוחדים ובאמצעות הסרה בררנית של חלקים מהמצע ע"י כימיקלים מתאימים.
"במהלך הפקת הלייזר נוצר חום, העלול לפגוע ביעילות הפעולה ואפילו לפירוקו של הלייזר בחלוף הזמן," מסבירה החוקרת. "גילינו כי הכנסת פס דקיק של מתכות בין שכבת הלייזר לבין שכבת הסיליקון מובילה לפיזור של החום הנוצר ומאפשרת זמן-חיים ארוך יותר של הלייזרים."
היכולת לנצל אור בקנה-מידה מיקרוסקופי הינה עניין מרגש," אומרת החוקרת. "אולם יש צורך בכך שהאנרגיה המסופקת למערכות אלו תהיה מועטה, כך שהן תוכלנה להיות ניידות, וכן זולות להפקה. מערכות אלו תוכלנה לשמש במכשירי אלקטרוניקה, באבחון רפואי ובחישת הסביבה."
הידיעה מאוניברסיטת דיוק

הפוסט סיליקון כרכיב אלקטרוני משופר הופיע לראשונה ב-Chiportal.