הירחון המדעי Laser Focus World קובע שאחת מפריצות הדרך הגדולות בפוטוניקה לשנת 2023 היא לייזר ספין משכבה אטומית בודדת – פיתוח של פרופ' ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות ופרופ' אלעד קורן מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים.

חוקרי הטכניון פיתחו לייזר ספין-אופטי קוהרנטי מבוקר המבוסס על שכבה אטומית בודדת. על פי הפרסום, פריצת דרך זו "פותחת אופקים חדשים למחקר בסיסי ולהתקנים אופטואלקטרוניים באמצעות ניצול הספינים של האלקטרון ושל הפוטון כאחד."

הגילוי החדשני, שהתפרסם ביולי 2023 בכתב העת היוקרתי Nature Materials, מאפשר שליטה בספין של הפוטונים הנפלטים מחומר דו-ממדי וסולל דרך להתקנים פוטוניים חדשים המבוססים על "ספין-אופטיקה בסקאלה אטומית".

לגלים אלקטרומגנטיים (אור) המתנהגים גם כחלקיקים נטולי מסה הנקראים פוטונים, יש תכונה פנימית – “סחרור” של הפוטונים (ספין). הספין, שהוא התנע הזוויתי הפנימי של הפוטונים, תלוי בכיוון הקיטוב המעגלי של האור. המחקר מנצל את התכונה הזאת של הפוטונים, סולל דרך לחקר תופעות קוהרנטיות תלויות-ספין הן בהקשר קלאסי והן בהקשר קוונטי ופותח אופקים חדשים למחקר בסיסי ולהתקנים אופטואלקטרוניים המבוססים על ספינים של אלקטרונים ופוטונים כאחד.

הפוסט ספין חיובי – מחקר בטכניון נבחר לאחת מפריצות הדרך בפוטוניקה ב-2023 הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מקבוצת המחקר של פרופ' ארז חסמן ראש המעבדה לננואופטיקה בטכניון פירסמו מאמר פורץ דרך בכתב העת היוקרתי Nature Nanotechnology. המחקר בוצע והובל על ידי ד"ר בו וונג Dr. Bo Wang) ) בשיתוף החוקרים ד"ר קישו רונג (Dr. Kexiu Rong), ד"ר אלחנן מגיד וד"ר ולדימיר קליינר.

טכנולוגיית השבבים האלקטרונים (Electronic Semiconductor), ננו-מכניקה וננו-פוטוניקה העוסקת ברכיבים בסקאלה הננומטרית מחייבת בקרת איכות מדויקת ביותר על ייצור השבבים. אי-דיוק הגדול מננומטרים ספורים גורם לכשל בפעילות השבב. בתעשיית המיקרו-ננואלקטרוניקה נבדקת איכות השבבים במיקרוסקופ אלקטרוני, המצריך את הכנסת השבב לתא ואקום עמוק. זהו תהליך ארוך ביותר ומורכב שאינו מאפשר בקרת ייצור רחבה. בקרת איכות בעזרת אופטיקה מתגברת על בעיה זו – המדידה נעשית ללא ואקום והיא מהירה אך אינה מדוייקת מספיק בשל אורך הגל.

הפתרון שמצאה קבוצת המחקר של פרופ' חסמן מבוסס על חקירה מדעית מעמיקה בתחומים המשלבים את האינטראקציה של האור והחומר עם שדות מגנטיים. שבב אלקטרוני מורכב מרכיבים ננומטריים החייבים להיות מדוייקים ואחידים מאוד (ההבדלים ביניהם לא יעלו על 1-5 ננומטר) במחזוריות הקטנה מאורך הגל. לכן אם נאיר על השבב, האור שמוחזר ממנו או מועבר דרכו לא יאפשר למדוד את הפיזור הננומטרי, שהוא הפרמטר הקריטי לתפקוד השבב, בשל מגבלת אורך הגל. זאת פריצת הדרך של החוקרים ששילבו הפעלת שדה מגנטי במיקרוסקופ האופטי והארה של אור מקוטב על תתי-מבנים פרומגנטיים לא אחידים ננומטרית. כך נוצר פיצול זוויתי של קרן האור, והיא מוחזרת כשתי קרניים עם קיטובים מעגליים הפוכים (הקיטוב המעגלי נקרא בלשון המדעית ספין או דרגת הסחרור של הפוטון, חלקיק האור). הפיצול הזוויתי קטן מאוד ולכן השתמשו החוקרים בשיטה שנקראת "מדידה חלשה", שפרופסור יקיר אהרונוב מאוניברסיטת תל אביב הציע לצורך מדידות קוונטיות.

חשוב לציין שמעבר לשימוש המתבקש בגישה החדשה, התגלית פותחת אפשרויות חדשות למדידות של אי-אחידות קטנה בשדות מגנטיים ובמגנטיזם בחומרים שונים ולחקירת תופעות של תנודות (פלוקטואציות) שונות בקוונטים ובשטחים אחרים.

פרופ' חסמן מציין בגאווה ש"הפרסום היוקרתי הזה מראה שגם בתקופות קשות, כדוגמת תקופת הקורונה, הטכניון ממשיך לפרסם מאמרים פורצי דרך בכתבי עת מדעיים מובילים. קבוצת המחקר שלנו כוללת חוקרים מדיסציפלינות שונות ובהן פיזיקה, חומרים והנדסה, והם עוסקים הן במחקר בסיסי והן במחקר יישומי המוביל ליישומים רבים בתעשיית ההייטק. מחקר אינטרדיסציפלינרי זה מוביל לעוד ועוד הצלחות המשפיעות הן על ההתפתחות המדעית והן על פיתוחים של יישומים טכנולוגיים חשובים ומגוונים."

במחקר תמכו הקרן הלאומית למדע (ISF), משרד המדע והטכנולוגיה, הקרן הדו-לאומית ארה"ב-ישראל (BSF), הטכניון ולשכת המחקר של חיל האוויר האמריקאי. הרכיבים מומשו במרכז לננו-אלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל (MNFU) בטכניון.

אתר המעבדה

הפוסט חוקרים בטכניון פיתחו טכנולוגיה המשלבת ננואופטיקה ומגנטיות לאבחון אי-אחידות ננומטרית בשבבים אלקטרוניים ובפוטונים הופיע לראשונה ב-Chiportal.