חוקרי הטכניון הצליחו "להבריג" אור ולהחדירו לחור ננומטרי

17עורך כתב העת היוקרתי Nature Materials בחר בעבודה כפריצת דרך בננופוטוניקה

חוקרי הטכניון, פרופ' ארז חסמן, דר' ולדימיר קליינר, יורי גורודצקי, ניר שטרית, ואיתי ברטנר, מהמעבדה למיקרו וננואופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות ומכון ראסל ברי למחקר בננו טכנולוגיה, הצליחו "להבריג" אור ולהחדירו לחור ננומטרי בקוטר של אלפית השערה. הדבר פורסם בכתב העת המדעי Nano Letters והוגדר על ידי עורך כתב העת המדעי היוקרתי Nature Materials כפריצת דרך עם תוצאות מבטיחות מאוד ליישום במימוש רכיבים אופטיים בסקאלת הננומטר.

כמו כן, עבודת המחקר נבחרה על ידי איגוד האופטיקה האמריקאי כאחד המחקרים החשובים בננואופטיקה לשנת 2009. החוקרים מקווים כי יהיה לכך שימוש במחשבים בתקשורת ובצגים ובעתיד יהיה ניתן, הודות לכך, להקטין את הרכיבים עד לסקאלת ננו ולשפר באופן ניכר את ביצועי המחשבים.

"עד שנת 1998 היה ידוע שאור לא עובר דרך חור כה זעיר, שקטן בהרבה מאורך גל", אומר פרופסור ארז חסמן. "בשנת 1998 נכתב מאמר פורץ דרך על ידי פרופסור תומס אבסן מאוניברסיטת שטרסבורג, שהראה כי בתנאים מסוימים, יכול האור לעבור גם דרך חור זעיר כל כך.  במעבדה למיקרו וננו אופטיקה יצרנו חור קטן, בצורת 'בייגלה', על שכבה  דקה של זהב. מימשנו זאת באמצעות קרן יונים ממוקדת. סביב החור יצרנו 'חריצים ספיראליים', בדומה להברגה של בורג. דרך החור שלחנו אור, ונתנו לו ספין, מעין 'סיחרור'. כאשר כיוון הסיחרור התאים להברגה שיצרנו בחור – האור חדר דרכו. עבור אור בספין שלא התאים להברגה האור לא עבר." זו הפעם הראשונה שבה הוכח כי ניתן לשלוט באור העובר דרך חור ננומטרי בעזרת הספין שלו והדבר יאפשר בעתיד לבצע רכיבים לוגיים באור ברמת הננו, כאשר הרכיב הלוגי מבוקר על ידי הספין של האור.

בסוף שנת 2008 הצליחו פרופסור חסמן וצוותו לפתח דרך חדשה לשליטה באור בקנה מידה ננומטרי באמצעות 'סיחרורו' (כפי ש"מסובבים" כדור טניס או פינג פונג). "יצירתו של כוח צדי על מוצק גלילי או כדורי מסתובב השקוע בנוזל (או גז) כשיש תנועה יחסית בין הגוף המסתובב לנוזל – קרויה אפקט מגנוס (Magnus effect)", מסביר פרופסור חסמן. "הפיסיקאי הגרמני היינריך מגנוס תיאר לראשונה את האפקט ב-1853. במשחקי כדור רבים אחראי אפקט מגנוס לתנועת המסלול של כדור מסתובב (למשל, שחקן כדורגל, טניס או פינג פונג אשר 'מסובב' את הכדור).

אפקט מגנוס משפיע גם על מסלולם של טילים מסתובבים, ומשפיע  על תעופת כלי טייס מסוימים. לגלים אלקטרומגנטיים המתנהגים גם כחלקיקים נטולי מסה הנקראים פוטונים, יש תכונה פנימית – 'סיחרור' של הפוטונים (ספין). הספין, שהוא התנע הזוויתי הפנימי של הפוטונים, תלוי בכיוון הקיטוב המעגלי של האור. חוקרי הטכניון דווחו במאמרם משנת 2008 על תיאוריה מאוחדת בנושא ולראשונה על תצפית ניסיונית ישירה בסטייה תלוית-ספין – אפקט מגנוס בפוטונים. אפקט מגנוס לאור (הנקרא גם spin Hall effect), גורם לאור לסטות בשל האינטראקציה בין הספין של הפוטונים לצורת מסלולו. ההשלכות האפשריות של עבודתם נרחבות מאוד.

"יישום האפקט הזה באמצעים פוטוניים וננו-אופטיים עשוי להוביל לפיתוחו של תחום מחקר חדש – ספינאופטיקה", אומר פרופ' חסמן. "אנו מקווים כי נצליח לשלוט באור בקנה מידה ננומטרי, בדרכים שלא היו אפשריות עד כה".

פריצת הדרך הנוכחית היא המשך ישיר של אותו מחקר.

בתמונה למעלה: הברגת אור לתוך חור ננומטרי בצורת "בייגלה" וחריצים ספיראליים על פני שכבת זהב – בורג ננומטרי אופטי. מימין- הברגת האור לתוך החור, משמאל- תמונות מיקרוסקופ אלקטרוני של הבורג האופטי הננומטרי.
בתמונה התחתונה: מערך של ברגים אופטיים ננומטריים בכיווני הברגה שונים המאפשרים לשלוט על האור שעובר. מימין – תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני של מערך הברגים הננומטריים האופטיים, משמאל – הארת מערך הברגים באור עם סיחרור בכיוונים שונים: יצירת המילה ספין בהארה בסיחרור נגד כיוון השעון, והתמונה המשלימה להארה עם כיוון השעון.
18