"המפץ הגדול" בננואופטיקה - הפקולטה להנדסת מכונות

27/12/2017

The figure shows silicone nano-antennas, and the transition from orderly antennas to strong disorder

כתב העת המדעי היוקרתי Science מדווח על תגלית מדעית פורצת דרך המדמה "מפץ גדול" פוטוני בסקאלה הננומטרית. את המחקר ערך צוות חוקרים בראשותו של פרופ' ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון

(באדיבות דוברת הטכניון)

המפץ הגדול הפוטוני: אי סדר חלש יוצר הפרדה חלשה ננומטרית בין פוטונים עם ספין הפוך (אדום וכחול) – "אפקט ספין-הול פוטוני". רק באי סדר מוחלט מתרחש "המפץ הפוטוני" – פוטונים בספינים הפוכים מתפצלים וממלאים את כל מרחב התנע – "אפקט רשבא הפוטוני". התופעה מתארת מעבר פאזה טופולוגי שמתבטא בשבירת סימטריה. המחקר נערך בהשראת מודלים בקוסמולוגיה שמתארים את המפץ הגדול. בתמונה מתוארות ננואנטנות מסיליקון, והמעבר מאנטנות מסודרות בכיוונן לאי סדר מוחלט מתבטא במדידת עליה חדה של האנטרופיה (כמדד לאי סדר). קרדיט איור : Ella Maru Studio

כתב העת Science מדווח על תגלית מדעית פורצת דרך שחשפה קבוצת המחקר של פרופ' ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות ומהמכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) בטכניון. התגלית מדגימה מעבר ממערכת פיזיקלית מסודרת למערכת לא מסודרת באופטיקה בסקאלת הננומטר, ומדגימה "מפץ גדול" פוטוני בסקאלה הננומטרית בתנאי מעבדה, בדומה למודלים הקיימים בקוסמולוגיה.

"המחקר שלנו עוסק בפיתוח רכיבים אופטיים בסקאלת הננומטר ובהבנת האינטראקציה

בין האור למבנים קטנים," מסביר פרופ' חסמן, ראש המעבדות לננו אופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון. "מטרת המחקר הנוכחי שפורסם בכתב העת Science ואשר בוצע בהשראת מודל "המפץ הגדול" בקוסמולוגיה היתה להדגים כיצד מערכת פיזיקלית עוברת ממבנה של סדר לאי סדר. ניסינו להבין את מנגנון מעבר הפאזה הטופולוגי (מעבר ממצב מסודר לאי סדר קיצוני כתוצאה משבירת סימטריה) בסקאלה הננומטרית."

המחקר בוצע על ידי קבוצת המחקר לננואופטיקה בראשותו של פרופ' חסמן, שבה חברים תלמידי המחקר אלחנן מגיד, מיכאל ינאי, ארקדי פאירמן, איגור יולביץ' והחוקר ד"ר ולדימיר קליינר.

"המפץ הפוטוני" הודגם בעזרת מטא-משטחים ננומטריים המבוססים על אנטנות זעירות מסילקון (ננואנטנות). "באמצעות ננואנטנות שייצרנו במעבדה בטכנולוגיית סיליקון פיתחנו דרך לשליטה באי הסדר במערכת – בהגדלת האנטרופיה," מסביר פרופ' חסמן.

"האור מורכב מפוטונים, חלקיקים ללא מסה שנעים במהירות האור. כל פוטון מתנהג כמו סביבון המסתחרר עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון. (בטרימינולוגיה המדעית: ספין חיובי או ספין שלילי ).

חברי הקבוצה לננואופטיקה בראשותו של פרופ' חסמן השותפים למחקר. מימין לשמאל: ארקדי פאירמן, מיכאל ינאי, פרופ' ארז חסמן, דר' ולדימיר קליינר, אלחנן מגיד ואיגור יולביץ צילום : ניצן זוהר, דוברות הטכניון — חברי הקבוצה לננואופטיקה בראשותו של פרופ' חסמן השותפים למחקר. מימין לשמאל: ארקדי פאירמן, מיכאל ינאי, פרופ' ארז חסמן, דר' ולדימיר קליינר, אלחנן מגיד ואיגור יולביץ (צילום : ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

כאשר עוברים ממצב מסודר למצב בו יש אי סדר קטן, כלומר משנים מעט את הזווית של הננואנטנות, מתרחש "ספין-הול פוטוני", פיצול מרחבי של הפוטונים בעלי ספינים הפוכים, פוטונים בעלי סחרור חיובי נעים לכיוון מסוים ובעלי הסחרור השלילי נעים לכיוון המנוגד. זהו פיצול קטן מאוד בסקאלת הננומטר ולכן השתמשו החוקרים ברעיון של פרופ' יקיר אהרונוב מאוניברסיטת תל-אביב, הנקרא מדידה קוונטית חלשה, כדי למדוד הפרדה ננומטרית בין שני מצבי ספין של חלקיקי האור. עם הגברת אי הסדר וכאשר המערכת מגיעה לנקודה קריטית, בה יש אי סדר מוחלט, מתרחש "מפץ גדול" בננואופטיקה, דהיינו פיזור של הפוטונים בעלי ספינים הפוכים לכל הכיוונים (בטרימנולוגיה המדעית -"אפקט רשבא הרנדומלי"). שבירת הסימטריה במערכת מתבטאת ביצירת מערבולות אופטיות הקרויות פגמים טופולוגיים. מערבולות אופטיות נוצרו כתוצאה מאינטראקציה בין מסלול הפוטון (חלקיק האור) לספין שלו. במדידה התגלתה תופעה ייחודית מאוד – גידול מרחבי דרמטי במספר המערבולות האופטיות ויצירת דחייה בין המערבולות כתוצאה מאי הסדר."