חדשות

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט דרור ויסמן מקבוצתו של פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב. במחקר השתתפו הדוקטורנט גרי גאורגי רוזנמן, פרופ' לב שמר וכן חוקרים מאוניברסיטת אוּלְם בגרמניה – הדוקטורנט מוריץ קרמסין, ד''ר מקסים אפרמוב ופרופ' וולפגנג שלייך. המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

ניסויים חדשים עם גלים פלזמוניים (שילוב של אור ותנודות אלקטרוניות) ועם גלי כבידה משטחיים הנעים על פני מים, מראים כי רצף של סדקים מסוגל להוליך את הגלים במסלול צר. הסדקים חוסמים את הקצוות החיצוניים של הגלים, בעוד שהגלים הלא חסומים מתרכזים לאורך ציר מרכזי של מוליך הגלים כתוצאה מהתאבכות. המערכת הפשוטה הזו, המבוססת על סדקים, יכולה להיות שימושית במצבים בהם קשה לייצר מוליכי גלים רגילים, למשל עבור גלים אלקטרומגנטיים בתחום קרני הרנטגן או בתחום הטרה-הרץ.

ויסמן ושותפיו הצליחו לפתח מוליך גלים המבוסס על סדקים. "איננו זקוקים לשום חומר מיוחד עם מקדם שבירה מסוים", אומר ויסמן. "הדבר היחיד שאנו צריכים הוא חומר שחוסם את התקדמות הגלים". הרעיון מבוסס על תופעה הקרויה "מיקוד עקיפתי" (diffractive focusing), בה עוצמת הגלים העוברים דרך סדק עולה בטרם האלומה מתבדרת. בדרך כלל קשה להבחין במיקוד זה מאחר שהוא קורה בסמוך לסדק: עבור סדק ברוחב של כחמישה אורכי גל, המיקוד מתרחש בנקודה הממוקמת כשמונה אורכי גל בלבד מהסדק.

בתמונה: אלומת הלייזר משמאל מאירה סריג המייצר גל פלזמוני משטחי. הגל נקטם באופן מחזורי על ידי הסדקים. התפלגות העוצמה נמדדת על ידי הסיב המחודד (החלק הכחול באיור) של המיקרוסקופ האופטי הסורק.

במחקר קודם שעסק במיקוד עקיפתי, ויסמן ושותפיו מדדו גלים המתקדמים דרך שני סדקים ברצף, כאשר הסדק השני ממוקם בסמוך למוקד של הסדק הראשון.  הם הבחינו כי כאשר האור עובר דרך שני הסדקים יחד, תבנית העקיפה הייתה דומה לזו המתקבלת מסדק יחיד – כלומר, יתכן שניתן לחזור על התהליך עם סדק שלישי, רביעי וכן הלאה. הצוות חזה כי כל סדק יכול למקד את האות לפני הגעה אל הסדק הבא, וכך למעשה נוצר מוליך גלים.

החוקרים אימתו כעת את תחזיתם באמצעות שני ניסויים. הראשון, התבסס על גלים פלזמוניים – גלים אלקטרומגנטיים המתקדמים על פני משטח מתכת ומצומדים לאלקטרונים שבו. על מנת ליצור מוליך גלים פלזמוני מבוסס סדקים על לוח כסף, הצוות ייצר צמדים של קירות כסף ננומטריים דקים שהגל הפלזמוני יכול להתקדם ביניהם. לאחר מכן, הם עוררו את המבנה באמצעות אלומת לייזר ומדדו את התפלגות העוצמה באמצעות מיקרוסקופ אופטי הסורק את עוצמת הגל הפלזמוני בשדה הקרוב. הם העריכו כי כל סדק גורם לאיבוד של כ-10% מהאנרגיה של אלומת הלייזר, לנוכח קטיעה של קצות הגל ע"י הקירות. מוליך הגלים החדש הוא בעל הפסדי הולכה דומים לאלה של מוליכי גלים פלזמוניים קיימים.

בניסוי השני, הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן בחן את מוליך הגלים החדש באמצעות גלי כבידה משטחיים הנעים על פני מים, בבריכת גלים ייחודית שאורכה 18 מטרים, במעבדתו של פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב. בניסוי זה, החוקרים יצרו גל אשר התפשט בבריכת המים וקטמו אותו בכל פעם במישור הזמן. הצוות מדד את צורת הגל ליד נקודת המוקד, והזין את המידע לגבי עוצמת הגל והפאזה (מופע) שלו בחזרה למחולל הגלים כדי ליצור את חבילת הגלים הבאה, בעוד הם קוטמים את המידע שזלג החוצה מהסדק הזמני. הפעולה החוזרת הזו הראתה תבנית התפשטות חוזרת בכל פעם, הן בעוצמה והן בפאזה.

"מוליך הגלים החדש הוא פתרון כללי שניתן ליישום למגוון רחב של גלים", אומר ויסמן. בנוסף לגלי אור ולגלי מים, ניתן להשתמש בשיטה לצורך הולכה של גלי קול, גלי חומר ועוד. יתרון נוסף הוא שגדלי הסדקים ומיקומיהם ניתנים לכוונון. למשל, הצוות הראה כי כיווץ רוחב הסדקים אפשר למוליך הגלים להצר את האלומה, בעוד שהזזת מיקומי הסדקים משנה את כיוון האלומה.

קישור לכתבה ב YNET

קישור למחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

הטכנולוגיה החדשה פותחה ע"י פרופ' גינזבורג וד"ר נוסקוב מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב ומספר מעבדות המובילות בעולם ובראשן: פרופ' גורין (SkolTech), ד"ר שירשין ( (MSU  ופרופ' פלמינג (USYD). המחקר  התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי Advanced materials.

בטבע נמצאים מגוון רחב של חומרים עם תכונות שונות. האתגרים החדשים הניצבים היום בפני האנושות בתחומים רבים ממריצים מדענים בכל העולם לפתח חומרים בעלי תכונות שאינם מצויים בטבע. חומרים מהונדסים אלה נקראים חומרי על או מטא-חומרים. הדוגמא אולי המפורסמת ביותר למטא-חומר הם גבישים עם מקדם שבירה שלילי שנחקרו רבות והדגימו ביצועי-על בהדמיה אופטית ומגוון רחב של יישומים אחרים.

אחד השימושים הנוספים בחומרי-על שהחוקרים מאוניברסיטת תל-אביב יחד עם עמיתיהם מאוניברסיטאות מובילות בעולם חשבו עליו הוא בתחום הרפואה ובתחום הטרונוסטיקה בפרט. מדובר בפיתוח מבנים זהירים (ננו-חלקיקים) חכמים והכנסתם אל תוך גוף האדם במטרה לבצע דיאגנוזה וריפוי בו זמנית במידת הצורך, למשל כאשר מדובר בתאים סרטניים. הרעיון של החוקרים היה להנדס מטא-חומר שיוכל בו זמנית לחדור לתאים חיים, להיות ביוקומפטבילי (תואם ביולוגית), לשאת תרופה וגם שיזוהה על-ידי מכשירי הדמיה. וזה בדיוק מה שהם עשו.

במסגרת המחקר, החוקרים פיתחו שיטה שבאמצעותה הם הפכו ננו-חלקיק של גיר פורוזיבי שאינו נקלט באמצעות מכשירי הדמיה למעין זהב מלאכותי נוצץ. בעזרת החדרת חלקיקי זהב שגודלם 3 ננומטר בלבד לתוך הגיר בשיטה חדשה החוקרים הצליחו להנדס רזוננס פלזמוני של המבנה כולו ובעצם לשנות את התכונות האופטיות שלו (3 ננומטר - פי 30 אלף דק יותר מעובי שערה ולפחות פי 100 קטן יותר ממה שאפשר לראות במיקרוסקופ אופטי רגיל) זאת, באמצעות ננו-טכנולוגיות ושיתוף פעולה עם מומחי מיקרוסקופיית אלקטרונים שהצליחו לראשונה להגיע להישג המרשים.

ד"ר רומן נוסקוב מסביר שמדובר בפריצת דרך שתאפשר בהמשך להוסיף פונקציות נוספות למטא-חומרים ויהיו לכך שימושים בתחומים רבים: "לפלטפורמה שהצלחנו להנדס ניתן להוסיף פונקציות נוספות כגון נראות למכשיר MRI, הזנת תרופות, ואף להפוך אותה לננו-לייזר או אבקה לוזרת שיש לה שימושים רבים מסמנים ביולוגיים עד לצביעת מוצרי נוי ביתיים. פרט לכך, הטכנולוגיה החדשה של הפיכת גיר לזהב מלאכותי תוכל להוזיל משמעותית את תהליך הייצור של פלטפורמות שונות הן לתרופות והן להתקנים אלקטרואופטיים".

"במהלך המחקר הצלחנו להוכיח כי ניתן לחמם את החלקיקים שפיתחנו בעזרת לייזר" מוסיף פרופ' פבל גינזבורג. "כיוון שיש לנו שליטה מלאה על תדר הרזוננס של החלקיק אנחנו יכולים לחממו באמצעות לייזר אינפרה-אדום חודר רקמות – וזה המפתח לתרמוטרפיה. למשל, עליית טמפרטורה של כמה מעלות בקרבת גידול סרטני יכולה להשמיד אותו, אם כי הדרך לשיטת הריפוי עוד ארוכה בגלל שחייבים לעשות סידרת ניסויי המשך עם תאים חיים".

לינק לכתבה ב ynet

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

פריצת דרך חדשה בנושא זה הושגה במחקר בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ומנחה הדוקטורט שלו, פרופ' עדי אריה, מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב. במחקר, שנערך עם פרופ' גיא ברטל והדוקטורנט שי צסס מהפקולטה להנדסת חשמל ע"ש ויטרבי בטכניון, מתוארת דרך שבה אפשר לגרום לקרני אור להתנהג כמו אלקטרונים עם ספין ולגרום לחומרים עם תגובה אופטית להתנהג כמו חומרים מגנטיים. "מכיוון שקל הרבה יותר להנדס אור וחומרים אופטיים, אפשר יהיה לחקור באמצעותם את התכונות של החומרים המגנטיים," אומר פרופ' אריה. "ב-30 השנים האחרונות הצטבר ידע עצום בתכנון של התקנים וטכנולוגיות בתחום המידע המגנטי, ועכשיו אפשר יהיה לקחת את הידע הזה ולייצר באמצעותו התקנים אופטיים."

בתמונה: הדוקטורנט אביב קרניאלי ​

במאמר בחרו החוקרים לתת דוגמה להתקן עתידי שכזה, המבוסס על "אפקט הול הטופולוגי" – אפקט קוונטי המתרחש כאשר חלקיק ספין חולף ליד אותם "קיפודים מגנטיים". "אפשר לחשוב על האפקט הזה כמו 'בעיטת בננה' בכדורגל," מסביר אביב קרניאלי. "חלקיק שנע ליד סקירמיון מגנטי מעקל את מסלולו כתלות בכיוון הספין שלו, שזה דבר מאוד יעיל אם רוצים להחליט לאן עובר זרם – כמו מתג. בחומרים מגנטיים אמיתיים לא יודעים איך לשלוט באפקט הזה, אלא רק לראות שהוא קיים, ואנחנו מראים איך באמצעות האור אפשר לחקות את אפקט הול הטופולוגי כדי לחקור אותו, אבל גם כדי להשתמש בו למתגים מהירים".

התגליות הללו צפויות לפרוץ דרך לא רק בהבנתנו את החומרים המגנטיים, אלא גם לתת השראה להתקנים אופטיים חדשים השולטים באור, בדומה לדרך בה חומרים מגנטיים שולטים בזרמים מגנטיים. לדוגמה, החוקרים מעריכים כי המחקר עשוי להוביל לפיתוח טכנולוגיות חדשות להעברה ועיבוד של מידע אופטי. נוסף על כך, היכולות הקיימות כיום לשליטה בחלקיקי אור בודדים – פוטונים – יחד עם הרעיונות החדשים לעיבוד המידע המבוססים על הקיפודים המגנטיים, צפויים לפתוח דלתות וכיווני מחשבה נוספים לעיבוד אינפורמציה קוונטית באמצעות אלומות אור. 

פרופ' אריה מוסיף שההתקנים שאפשר לייצר אינם מוגבלים רק לדברים פשוטים כמו מתגים. "אחד הכיוונים המבטיחים ביותר בטכנולוגיות קוונטיות הוא השימוש בחלקיקים בודדים של אור, או בשמם המדעי פוטונים, לייצוג מידע. ההתקנים שאנחנו מציעים לא יעבדו רק עבור קרני אור רגילות, אלא גם עבור פוטונים בודדים, ובאותה היעילות. מאחר שכיום, פוטונים בודדים הם בחזית הפיתוח של תקשורת קוונטית ומחשבים קוונטיים, יכול להיות שהתגלית שלנו תאפשר דרכים חדשות ויעילות יותר להעביר ולעבד מידע קוונטי בצורה אופטית."

המחקר נתמך ע"י הקרן הלאומית למדע. אביב קרניאלי ושי צסס הם זוכי מלגת אדמס של האקדמיה הלאומית למדעים. 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון