הדינמיקה של המערבולת הפלזמונית

כתב העת Science מדווח על פריצת דרך בתחום האינטראקציה בין אור וחומר. המחקר, שנערך על ידי חוקרים בטכניון ועמיתיהם בגרמניה, צפוי להוביל לחידושים דרמטיים במחשוב קוונטי, בדימות מיקרוסקופי ובאחסון אופטי של מידע

גרישה ספקטור

חוקרים בטכניון ועמיתיהם בגרמניה מציגים פריצת דרך מדעית-טכנולוגית בתחום האינטראקציה בין אור וחומר. בלב המאמר שהתפרסם בכתב העת Science מוצג מעקב אחר מערבולות פלזמונים ברזולוציית זמן ומרחב חסרת תקדים. היישומים הפוטנציאליים רבים ומגוונים: אחסון אופטי של מידע, מלקחיים אופטיים (אחיזה של חומר באמצעות אור), הצפנה קוונטית, מחשוב קוונטי, דימות מיקרוסקופי, יריעות דקות המאופיינות בתכונות מגנטיות ייחודיות ועוד.

המחבר הראשי של המאמר הוא גרישה ספקטור, הלומד לדוקטורט בהנחייתו של פרופ’ מאיר אורנשטיין מהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי בטכניון. עוד חתומים על המאמר חוקרים מהאוניברסיטאות הגרמניות קייזרסלאוטרן, דואיסבורג-אסן ושטוטגרט.

פלזמונים הם מעין גלים משטחיים הנובעים מצימוד בין אור לפלזמה של אלקטרונים חופשיים במתכות. הם נוצרים בממשק שבין חומר מוליך לחומר מבודד כתוצאה מפגיעת אור בחומר ומאופיינים בתכונות פיזיקליות ייחודיות ובהן קיצור משמעותי של אורך הגל של האור הפוגע. היכולת לעצב מבנים ננומטריים במתכות מאפשרת יצירה מבוקרת של מערבולות פלזמוניות זעירות הנושאות תנע זוויתי אורביטלי (OAM) ולמעשה לכודות על המשטח.

מהירות הסיבוב הגבוהה של המערבולות הפלזמוניות מאתגרת את מי שרוצה לעקוב אחריהן וללמוד את מנגנון היווצרותן. מכאן חשיבותו הדרמטית של המאמר הנוכחי ב-Science, המציג הצלחה ראשונה במעקב מדויק אחר התפתחותן של מערבולות פלזמוניות ברזולוציה חסרת תקדים של זמן ומרחב.

רקע היסטורי-מדעי

באיור (1): תיאור התהוות המערבולת הפלזמונית

מאז עבודתו התיאורטית של הפיזיקאי ג’ון הנרי פוינטינג ב-1909, והניסויים שערך ריצ’רד בת’ באמצע שנות השלושים, ידוע שהאור מאופיין בתנע זוויתי המזכיר תנועה של סביבון סביב עצמו. באופן ציורי, אפשר לדמות את האלקטרון לכדור קטן המסתובב סביב עצמו במהירות נתונה (ספין) – בדומה לכדור הארץ או לירח, למשל.

במשך כמעט מאה שנה התייחסה הקהילה הפיזיקלית לספין כתנע הזוויתי היחיד של הפוטון. עם זאת, בעקבות עבודתו החלוצית של לס אלן שפורסמה ב-1992, התברר כי האור יכול לשאת תנע זוויתי נוסף: תנע זוויתי אורביטלי (OAM). במצב זה האור מתקדם בדומה למדרגות ספיראליות וחזיתות הגל מסתובבות בקצב של מאות טריליוני סיבובים לשנייה. חברי קבוצתו של פרופ’ ארז חסמן, אף הוא מהטכניון, היו הראשונים להראות בשנת 2008 שניתן לעורר מערבולות פלזמוניות על משטחים.

OAM הוא מושא מחקר אטרקטיבי לא רק בשל העניין המדעי הטהור אלא גם בשל הפוטנציאל היישומי העצום הטמון בו: הצפנת מידע, הגדלת הקיבולת של מערכות תקשורת המבוססות על סיבים אופטיים, הצפנה קוונטית ועוד. לבסוף, מזעור התנע הזוויתי הנישא על ידי האור וצימודו לפלזמונים טומן בחובו את הפוטנציאל להעביר כמויות גבוהות של תנע זוויתי לחומר ולאפשר מעברי אנרגיה שכיום נחשבים בלתי אפשריים.

כדי לייצר התקנים אופטיים זעירים המסתמכים על OAM נדרשים אורכי גל זעירים במיוחד, שאינם אפשריים באופטיקה הרגילה. השימוש ב-OAM הנישא על ידי מערבולות פלזמוניות מתגבר על מגבלה זו מכיוון שתנודות אלה יכולות להגיע לאורכי גל קצרים הרבה יותר מאלה של האור המקורי. במילים אחרות, הן מאפשרות פיתוח התקנים פוטוניים שממדיהם פחותים מ-100 ננומטר (עשירית המיקרון).

פיתוחה של טכנולוגיה המפיקה תנודות פלזמוניות מבוקרות הוא אתגר קשה ומורכב, וההצלחה הנוכחית נובעת משיתוף הפעולה הישראלי-גרמני ומשילוב של גבישי זהב באיכות גבוהה מאוד, הבזקי לייזר מהירים ומיקרוסקופ אלקטרונים.

בתרשים (4): A: יצירת חזיתות גל ספירליות על ידי חריצים בתוך משטחי זהב. החזיתות מתקדמות לכיוון מרכז המבנה. B: השלמת היווצרות המערבולת תוך יצירת כמה אונות המסתובבות סביב מרכז המערבולת. C: דעיכת המערבולת תוך יצירת חזיתות גל המתקדמות מן המרכז החוצה. D-F: תיאור תיאורטי של שלבי חיי המערבולת. תחילת היווצרות המערבולת תוך התקדמות של חזיתות גל ספירליות לכיוון המרכז (D), התהוות המערבולת במרכז המבנה (E) ודעיכת המערבולת תוך התקדמות הגלים כלפי חוץ עם שינוי כיוון הסיבוב (F). החיצים מייצגים את כיוון התקדמות הגלים

הקונספט נהגה על ידי גרישה ספקטור מהטכניון, שהוא כאמור המחבר הראשי של המאמר הנוכחי. החוקרת בטינה פרנק מאוניברסיטת שטוטגרט יצרה שכבות זהב דקות מאוד ובתוכן מעין “הברגה” על פי הנתונים שחישב ספקטור. חוקרים משתי האוניברסיטאות הגרמניות האחרות (קייזרלאוטן ודואיסבורג אסן) הקרינו על הזהב הבזקי לייזר קצרים במיוחד – הבזקים של כ-13 פמטו-שניות (פמטו-שנייה היא 10^-15 שנייה). פגיעת האור בזהב יצרה תנודות פלזמוניות שהחוקרים עקבו אחריהן במיקרוסקופ אלקטרונים ותיעדו אותן ברזולוציית זמן המאפשרת לראות תנועה של אור בתוך מחזור התנודה האופטי.התצפיות מאפשרות לראשונה הבנה מעמיקה של אבולוציית המערבולות ואופי התנהגותן. לבסוף הראו החוקרים דינמיקה של מערבולות הלכודות בממדים של כ-100 ננומטרים.

כאמור, מדובר בתצפית מדויקת ראשונה על היווצרות המערבולות הפלזמוניות, והתיעוד מראה כי מערבולות אלה הן מעין אדוות הנעות מן החוץ פנימה ומתאבכות במרכז. בתהליך זה נוצרות מספר “אונות” המסתובבות סביב המרכז. מספר האונות ומהירותן הזוויתית נמדדו כאן לראשונה, והן מהוות מדידה ישירה של התנע הזוויתי הנישא על ידי המערבולת. בין היתר גילו החוקרים כי ככל שה-OAM גדול יותר, כך נדרש למערבולת זמן ממושך יותר להשלמת סיבוב. הם מעריכים כי המחקר המתפרסם כעת עשוי לסלול דרך למערכות הצפנה זעירות המבוססות על OAM ולהוביל לאינטראקציות אור-חומר חדשות.