![טכנולוגייה חדשה ליצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים](https://ee.tau.ac.il/sites/engineering.tau.ac.il/files/styles/adaptive/public/%D7%98%D7%9C%20%D7%90%D7%9C%D7%A0%D7%91%D7%95%D7%92%D7%9F.webp "דימות וגילוי מרחוק ע"י גלי טרה-הרץ יאפשרו זיהוי של חומרי נפץ, תרופות מזוייפות ואף שליטה במולקולות")
ד"ר איתי אפשטיין, יחד עם חוקרים מספרד, ארה"ב, פורטוגל וצרפת, הצליחו לבנות מהוד אופטי אשר מסוגל לדחוס קרינה אינפרא-אדומה לחלל הקטן פי מיליארד מנפחה הרגיל
תחומים:
בחר הכל
משפטים
כללי
הנדסה
חיי הקמפוס
ASV
מערכות קוונטיות
תחבורה חכמה
רכב אוטונומי
קול קורא
מכונת הנשמה
COVID-19
מטא-חומרים...
הנדסת חשמל
הנדסה מכנית
אולטרה-סגול
אולטרה-סגול
RoboBoat
MRI
קטגוריות:
בחר הכל
פרס
ברכות
כנס
מחקר
מחקר בפקולטה
פוקוס
חדשות
NEWS
מה מעניין אותך?
מחקר
22.07.2020
המהוד האופטי הקטן בעולם לקרינה אינפרא-אדומה
- מחקר
- הנדסת חשמל
בדומה להקטנת גודלם של מעגלים אלקטרוניים, המאפשרים טכנולוגיות כמו מחשבים וסמארטפונים, השאיפה ליצור טכנולוגיה עתידית המבוססת על מעגלים ושבבים אופטיים מונעת גם היא ע"י הצורך במזעור. יחד עם זאת, מזעור זה כרוך באתגרים ובמכשולים חדשים שיש להתגבר עליהם, כמו שליטה והולכה של אור בסקלת הננומטר. לאור זאת, טכניקות חדשות מפותחות כל הזמן אשר מטרתן לדחוס את האור לחללים זעירים במיוחד - קטנים פי מיליונים מאורך הגל של האור ומתחת לגבול הדיפרקציה, שמסמל את הגודל או הנפח הקטן ביותר אליו ניתן לדחוס גלי אור. דבר זה קשה במיוחד בתחום הספקטראלי של קרינה אינפרא-אדומה, מכיוון שהיא מאופיינת ע"י אורכי גל גדולים, בסקלות של עשרות עד מאות מיקרומטרים.
גלים פלזמונים בגרפן
גרפן - חומר דו-ממדי הבנוי משכבה אחת של אטומי פחמן - משלב תכונות אופטיות וחשמליות יוצאות דופן. גרפן מסוגל להנחות אור בצורה של "גלים פלזמונים", שהם תנודות של אלקטרונים המצומדות לשדה האלקטרומגנטי של האור. לפלזמונים (יחידת אנרגיה של תנודות בפלזמה) אלו יכולת טבעית לדחוס אור לחללים קטנים מאוד. עם זאת, עד עכשיו ניתן היה לדחוס את הפלזמונים הללו בצורה המוגבלת לסקלות מיקרומטריות, בעוד שיכולתו של האור לבצע אינטראקציה עם חלקיקים קטנים, כמו אטומים ומולקולות, תלויה ביכולת לדחוס אותו לחללים בסקלות הרבה יותר קטנות. סוג זה של דחיסה נחשב בדרך כלל למהוד אופטי.
סוג חדש של מהוד אופטי
כעת, במחקר שהוביל ד"ר איתי אפשטיין, איש סגל חדש במחלקה לאלקטרוניקה פיסיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה, אשר בוצע כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט שלו יחד עם חוקרים נוספים מספרד, פורטוגל, צרפת, ברזיל וארה"ב, הצליחו החוקרים לבנות סוג חדש של מהוד אופטי. המהוד, שמבוסס על שילוב של קוביות מתכת בגודל ננומטרי המפוזרות על גבי הגרפן, איפשר לייצר את המהוד האופטי הקטן ביותר שנבנה עד כה לקרינה אינפרא-אדומה, ואשר מבוסס על הפלזמונים בגרפן.
בניסוי, החוקרים השתמשו בקוביות מתכתיות בגודל 50 ננומטר בלבד, אשר מפוזרות באופן אקראי על שכבת הגרפן ללא דפוס או כיוון ספציפי. זה איפשר לכל קוביה, ביחד עם הגרפן, לפעול כמהוד אופטי בודד. לאחר מכן הם העבירו אור אינפרא-אדום דרך הדגם ומדדו כיצד הפלזמונים נדחסים לנפח קטן מאוד בין הגרפן והקוביות.
מבעיה לפתרון
ד"ר אפשטיין מציין כי "המכשול העיקרי בו נתקלנו בניסוי זה הוא העובדה שאורך הגל של אור אינפרא-אדום גדול מאוד והקוביות קטנות מאוד - בערך פי 200 - כך שקשה מאוד לגרום להם לבצע אינטראקציה זה עם זה". כדי להתגבר על הבעיה הם ניצלו תופעה מיוחדת - כאשר הפלזמונים נדחסו אל המהוד הם יצרו אופן תהודה הנקרא אופן תהודה מגנטי. ד"ר אפשטיין מבהיר: "תכונה ייחודית של אופן תהודה מגנטי מסוג זה היא היכולת לפעול כסוג של אנטנה המגשרת על ההבדל בין הממדים הננומטריים של הקוביה לבין המימדים הגדולים של האור האינפרא-אדום". לפיכך, אופן התהודה איפשר לדחוס את הפלזמונים לנפח הקטן פי מיליארד מהנפח של אור אינפרא-אדום רגיל, דבר שמעולם לא הושג לפני כן. בנוסף, החוקרים גילו שהמהוד משמש גם כסוג חדש של אנטנה ננומטרית שיכולה לפזר אור אינפרא-אדום ביעילות רבה.
תוצאות מחקר מבטיחות
לרוב החומרים המולקולריים קיימים מעברים אנרגטיים בספטרום האינפרא-אדום, ומכוון שגישה זו, של דחיסת האור לחללים מאד קטנים, מסוגלת לחזק את השדה האופטי בצורה ניכרת, ניתן להשתמש בה כדי לאתר חומרים מולקולריים, המגיבים לאור אינפרא-אדום. מבחינה זו תוצאות המחקר מבטיחות בתחום של גלאים חדשים לחישה מולקולרית וביולוגית, רפואה, ביוטכנולוגיה, בדיקת מזון ואפילו ביטחון. גלאים אלו יעזרו לאתר חומרים מולקולריים רעילים או מסוכנים, הנמצאים במזון או בציוד הנ"ל.
העבודה בוצעה כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט של ד"ר אפשטיין, במכון המחקר ICFO – The Institute of Photonic Sciences, בברצלונה, ספרד, והתפרסמה בירחון המדעי Science.
את המאמר המלא ניתן למצוא כאן.
אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון
מחקר
12.03.2020
״זרימה לאחור״ של אור הנע קדימה
ד"ר אלון באב"ד, יחד עם תלמידי המחקר שלו הצליחו להדגים לראשונה את התופעה "זרימה לאחור" המבוססת על רעיון שעלה לפני כחמישים שנה במסגרת המכניקה הקוונטית אך לא הודגם מעולם בשום ניסוי
- מחקר
- הנדסת חשמל
דמיינו כדור הנזרק קדימה בחלל חופשי. בכל רגע ורגע לאחר הזריקה, אם נמדוד את כיוון התנועה של הכדור הוא ימשיך לנוע קדימה. התוצאה הברורה הזו, כלל וכלל איננה מחויבת המציאות כאשר מדובר בתנועה של חלקיקים מיקרוסקופיים אשר תנועתם מצייתת לחוקים המוזרים של המכניקה הקוונטית. לפי תורה זו חלקיק יכול להתנהג גם כגל.
מאחר שגלים שונים יכולים להתחבר ביחד בתהליך הנקרא התאבכות, גם חלקיק הנע קדימה יכול להיות מורכב מאוסף של גלים אשר נעים כולם קדימה. ההשלכות של התאבכות זו יכולות להיות מוזרות ולא אינטואיטיביות. עם בחירה נכונה של משרעות הגלים (עד כמה חזק הם מתנדנדים) והשהיה יחסית ביניהם ניתן ליצור חלקיק אשר למרות שהוא מורכב מגלים שכולם נעים קדימה, אם התנועה שלו תמדד במקומות מסוימים במרחב ובזמנים מסוימים – יתגלה שהחלקיק נע אחורה. בשאר המקומות והזמנים – אם תנועת החלקיק תימדד הוא ימצא כנע קדימה. למעשה הסיכוי למצוא את החלקיק נע קדימה הוא עדיין גדול בהרבה מהסיכוי למצוא אותו נע אחורה. כמו כן ההתאבכות המייצרת את אותה ״זרימה לאחור״ היא מאוד עדינה – שינוי קטן במשרעת של הגלים או בהשהיה היחסית שלהם תהרוס בקלות את תופעת ״הזרימה לאחור״. מאחר שהתופעה הזו כה רגישה, עד היום לא הצליחו להבחין בה בשום מעבדה בעולם.
במעבדתו של ד״ר אלון באב״ד מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב הצליחו כעת להדגים את התופעה עם אור. הרעיון הבסיסי במרכז המחקר הוא שגם אור הוא תופעה גלית, וכמו החלקיק קוונטי, יכול להיות מורכב מאוסף של גלים הנעים לכיוון מסוים.
בניסוי במעבדה של ד"ר באב"ד The Physical Optics group השתמשו החוקרים ותלמידי המחקר יניב אליעזר, שנמצא כיום בפוסט דוקטורט באוניברסיטת ייל, ותומאס זכריאס, באלומת לייזר אשר פוצלה והורכבה מחדש כאוסף של גלים הנעים כולם בזוית חיובית יחסית לציר שנקבע מראש. אסופת הגלים הזו חושבה מראש כך שתוכל לייצר את תופעת ה״זרימה לאחור״. כעת בהזזת חריץ קטן לרוחב אלומת האור נעשית המדידה המקומית של כיוון זרימת האור. ברוב המיקומים בהם הושם החריץ, האור אשר יצא ממנו המשיך לנוע בכיוון המאופיין עם זוית חיובית, אך במספר מקומות מוגדרים – האור אשר בקע מהחריץ נע בכיוון המאופיין עם זוית שלילית, מאשש בכך את התופעה המדוברת. למחקר זה יכולות להיות השלכות בתחומים הדורשים שליטה מדויקת בפילוג המרחבי של עוצמת אור בנפחים קטנים, כמו מיקרוסקופיה, חישה והנעה של חלקיקים זעירים.
*עוד ניתן לקרוא על המחקר של ד"ר באב"ד במגזין היוקרתי Optica שהתפרסם חודש שעבר - למאמר המלא במגזין Optica
