חישה בסקלה הננומטרית באמצעות אור נראה

כתב העת Science מדווח על פריצת דרך של חוקרים בטכניון ושותפם בארה"ב

ישנו עקרון באופטיקה שאומר כי אור אינו רגיש לגופים שגודלם מזערי יחסית לאורך הגל האופטי. עם זאת, במאמר שהתפרסם ביום חמישי האחרון בכתב העת Science מציגים חוקרים בטכניון ושותפם באוניברסיטת העיר ניו יורק חישה אופטית של שכבות קטנות פי 100 ויותר מאורך הגל.

picfig - איור של הניסוי. השכבות הלא-סדורות שוקעו על פני פריזמה והוארו בקרינת לייזר.

איור של הניסוי. השכבות הלא-סדורות שוקעו על פני פריזמה והוארו בקרינת לייזר.

חוקרי הטכניון הם הדוקטורנט חנן הרציג שינפוקס וד"ר יעקב לומר מקבוצת המחקר של פרופ'-מחקר מוטי שגב מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, ד"ר גיא אנקונינה ממכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה ותכנית האנרגיה ע"ש גרנד ופרופ' גיא ברטל מהפקולטה להנדסת חשמל ע"ש ויטרבי בטכניון, והחוקר האמריקאי הוא פרופ' עזריאל ז' גנאק.
המחקר המוצג במאמר עוסק ב"מגדל" של שכבות ננומטריות שכל אחת מהן דקה פי 20,000 בערך מדף נייר ממוצע. העובי של כל אחת מהשכבות אקראי במתכוון, ובדרך כלל אין משמעות רבה לאי-הסדר הננומטרי הזה; אולם בניסוי הנוכחי, די היה בעיבוי של שכבה אחת ב-2 ננומטר בלבד (עובי של כ-6 אטומים) כדי לשנות את כמות האור המוחזרת מהמגדל בזווית ספציפית. יתר על כן, ההשפעה המצרפית של הבדלי עובי אקראיים אלה בכלל השכבות יוצרת תופעה פיזיקלית חשובה הקרויה מיקומיות אנדרסון (Anderson Localization). הגילוי המשמעותי במחקר המתפרסם כעת הוא שמיקומיות זו, בניגוד לסברה המקובלת עד כה, יכולה להיות חשובה ומשפיעה גם בממדים זעירים כל כך.
מיקומיות אנדרסון התגלתה ב-1958 וזיכתה את פיליפ אנדרסון בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1977. עיקרה: בתנאים מסוימים, אי סדר גורם לחלקיקים להתמקם במרחב ולהישאר כלואים בתוך אזור מוגבל. תופעה זו נחזתה לראשונה במחקר של פיזיקת חומרים, בהקשר של הפיכת חומרים מוליכים למבודדים.
הדגמה ניסויית של מיקומיות אנדרסון ידועה כאתגר קשה במיוחד, ועל אחת כמה וכמה כאשר אי הסדר מתבטא רק ברכיבים הקטנים בהרבה מאורך הגל. אכן, הסידור האקראי של האטומים בחומרים כגון זכוכית אינו ניתן לצפייה באור נראה; זכוכית, למשל, נראית אחידה לגמרי אפילו במיקרוסקופ האופטי הטוב ביותר שבנמצא, וזאת למרות אי הסדר המאפיין אותה, כלומר הסידור האקראי של האטומים בתוכה.

בשל כך נהוג להניח שאי סדר בסקלה של ננומטרים בודדים לא יבוא לידי ביטוי אופטי משמעותי. זו ההנחה שחוקרי הטכניון מפריכים כעת.
כדי להמחיש את הניסוי שנערך בטכניון נדמיין יתוש המנסה לדחוף אדם. ברור לנו שהיתוש ייכשל בכך כי הוא חלש מדי והאדם כבד מדי. אולם אם האדם עומד על חבל דק ומושפע מכל כוח קטן הפועל עליו, ההשפעה של דחיפת היתוש תהיה גדולה הרבה יותר (גם אם לא תספיק כדי להזיז את האדם).
בניסוי שנערך בטכניון יצרו החוקרים מצב שבו המערכת נמצאת במצב הדומה לשיווי משקל ולכן מפגינה רגישות מוגברת לשינויים קטנים, בדומה לאדם המהלך על חבל. אותה אי יציבות פיזיקלית  גרמה לכך שהשפעתו של האי סדר הננומטרי תהיה חזקה יותר, וכך תתאפשר חישה אופטית של מיקומיות אנדרסון למרות התרחשותה בממדים מזעריים כל כך.

Comparison - השוואת סדרי גודל: ההפרש בין שני המבנים שנמדדו בניסוי קטן מאוד – רק 2 ננומטרים – לעומת גודלו של וירוס השפעת המוצג מימין (כ-100 ננומטר).

השוואת סדרי גודל: ההפרש בין שני המבנים שנמדדו בניסוי קטן מאוד – רק 2 ננומטרים – לעומת גודלו של וירוס השפעת המוצג מימין (כ-100 ננומטר).

חוקרי הטכניון מציגים את הממצאים כהוכחת היתכנות העשויה לסלול דרך ליישומים משמעותיים חדשים של חישה אופטית. גישה זו עשויה לאפשר שימוש בשיטות אופטיות ליצירה של כלי מדידה מהירים לזיהוי פגמים ננומטריים בשבבי מחשב ובהתקנים פוטוניים. חשיבותה רבה במיוחד נוכח העובדה שמדידות אופטיות מאופיינות במהירות גבוהה ובעלות נמוכה מאוד יחסית לאלטרנטיבות כגון מיקרוסקופיית קרני רנטגן או מיקרוסקופיית אלקטרונים.

פרופ'-מחקר מוטי שגב נולד ברומניה ב-1958 ועלה לישראל בגיל שלוש. לאחר שחרורו מצה"ל כקצין חי"ר נרשם לטכניון, שם השלים תואר ראשון ודוקטורט (במסלול ישיר) ותוך כדי שירת במילואים כמפקד פלוגת סיור.  בתום הדוקטורט (1990) יצא לפוסט-דוקטורט באונ' קאלטק ואחריו קיבל משרת פרופסור-משנה באוניברסיטת פרינסטון בארה"ב, שם עלה בתוך פחות מחמש שנים עד לדרגת פרופסור מן המניין. בקיץ 1998 חזר לארץ והצטרף לפקולטה לפיזיקה בטכניון, ובשנת 2009 קוּדם לדרגה האקדמית הגבוהה ביותר – פרופסור-מחקר (distinguished professor) – הניתנת על הצטיינות מחקרית יוצאת דופן. הוא זכה בפרסים המקצועיים הגבוהים ביותר בתחום הלייזרים והאופטיקה של האגודה האירופית לפיסיקה (2007), אגודת חוקרי האופטיקה של אמריקה (2009), והאגודה האמריקאית לפיסיקה (2013). בשנת 2011 נבחר לאקדמיה הישראלית למדעים ובשנת 2015 לאקדמיה האמריקאית למדעים. מוטי הוא חתן פרס ישראל בחקר הפיזיקה לשנת תשע"ד.

חנן הרציג שינפוקס, יליד 1983, השלים תואר ראשון בפיסיקה-מתמטיקה באונ' העברית בירושלים ותואר שני בפיסיקה בהנחיית פרופ' אריה ציגלר. כיום, חנן הינו דוקטורנט בפקולטה לפיסיקה בטכניון לקראת סיום לימודיו בהנחיית מוטי שגב, אשר יתחיל מחקר בתר-דוקטורט במכון מחקר היוקרתי ICFO בספרד, תחת פרופ' פרנק קופנס.

ד"ר יעקב (קובי) לומר, יליד 1982, למד תואר ראשון בפיסיקה והנדסת חשמל בטכניון, במסגרת לימודי עתודה. הוא למד תואר שני באונ' העברית בירושלים, והשלים את לימודיי דוקטורט בפיסיקה בטכניון בהנחיית מוטי שגב אשתקד. קובי התחיל לאחרונה השתלמות בתר דוקטורט בהנחיית פרופ' נאדר אנגת'ה באונ' פנסילבניה.

למאמר בכתב העת https://goo.gl/3YlWGM: Science

 

פרופ'-מחקר מוטי שגב

פרופ'-מחקר מוטי שגב

הדוקטורנט חנן הרציג שינפוקס

הדוקטורנט חנן הרציג שינפוקס