חוקרים בטכניון ועמיתיהם בסין גילו הופעת "סחרור" של פוטונים במערכות ננומטריות לא מסודרות

כתב העת Nature Materials מציג גילוי של “סדר נסתר” במערכות לא מסודרות במרחב ובזמן. לתגלית אחראים פרופ’ ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות ומרכז הקוואנטום ע”ש הלן דילר בטכניון ועמיתיו בסין פרופ’ בו וואנג וקבוצת המחקר שלו. פרופ’ וואנג עשה את הפוסט-דוקטורט בקבוצתו של פרופ’ חסמן והיה שותף לפריצת הדרך של לייזר ספין מחומרים דו-ממדיים.

חוקרי הטכניון מציגים במאמר תופעה פיזיקלית חדשה בשם “אפקט נעילת הספין כתוצאה מתנועה בראונית”, המאפשרת גילוי של סדר במערכת פיזיקלית לא מסודרת.

הסבר קצר על שני מושגי יסוד: ספין – אחת התכונות של חלקיקים אלמנטריים והוא מתאר את ה”סחרור” שלו. זהו תיאור ציורי ולא מדויק, אולם כך נהוג לתאר את הספין. תנועה בראונית שנקראת גם “הליכת שיכור”, הינה תנועה שבה חלקיקים זעירים (לאו דווקא קטנים כמו אטומים), שקועים בנוזל או שצפים על פניו, נעים בצורה אקראית. היה זה איינשטיין שהפך את התנועה הבראונית למפורסמת כאשר פרסם את תוצאותיו ב-1905.

ככל שהיה ידוע עד כה, התנועה הבראונית גורמת לכך כאשר פוטון פוגע בחלקיק, פיזורו מהחלקיק יהיה כאוטי, ובמונחים מדויקים – לא מקוטב ולא קוהרנטי, וכמוהו הספין של אותו פוטון. חוקרי הטכניון ביקשו לבדוק אם במצבים ספציפיים של אינטראקציית אור-חומר עשוי להיווצר סדר בספין, והראו כי הדבר אפשרי. כאשר הם הקרינו אור לייזר על חלקיקים ננומטריים בנוזל בטמפרטורת החדר הם גילו כי הפוטון המתפזר הצידה אל מחוץ טווח הפגיעה של הלייזר “ננעל” בספין שלו. הם מראים כי נעילת הספין נובעת דווקא מהתנועה האקראית של החלקיקים – התנועה הבראונית.

התהליך האמור איפשר לחוקרים למדוד את גודל החלקיקים, זאת משום שאפקט נעילת הספין תלוי בגודל החלקיקים ובסוג החומר ולכן מעיד עליהם. לדברי פרופ’ חסמן, “התגלית שלנו היא דוגמה יפה לחשיבותה של הפיזיקה הניסויית. הראינו שדווקא המערכות הלא מסודרות ביותר בזמן ובמרחב הן המפתח להיווצרות סדר עמוק. אפקט נעילת הספין במערכת עם תנועה בראונית היא תופעה שלא הייתה ידועה, ואנחנו מקווים  ומאמינים שיישומיו, החל באפיון ננו-חלקיקים ועד לפיתוח טכנולוגיות אופטיות חדשות, יתרמו משמעותית למדע ולתעשייה בעתיד.”

המחקר נתמך על ידי הקרנות הלאומיות למדע בישראל ובסין. השותף הסיני במחקר הוא:

Prof. Bo Wang, Spin nanophotonics group, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University

למאמר ב- Nature Materials  – לחצו כאן