לקראת מקורות אור חכמים

חוקרים מהטכניון פיתחו לראשונה מודל פיזיקלי מלא המסביר כיצד תכונות החומר הקורן – בליעה, פליטה ויעילות קוונטית – משפיעות על התכונות הבסיסיות של האור הנפלט מהחומר כתלות בטמפרטורה. בשורה התחתונה: האור הנפלט משנה את צבעו, עוצמתו ואקראיותו בהתאם לתכונות החומר ולטמפרטורה שלו. התגלית פורסמה בכתב העת היוקרתי Optica והיא פותחת אפשרויות חדשות לתכנון מקורות אור מתקדמים, חיישנים אופטיים ומערכות פוטוניות מבוססות חום.

את המחקר הובילו המסטרנט תומר בר לב ופרופ’ כרמל רוטשילד מהפקולטה להנדסת מכונות וממכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון. לדבריהם, התופעה המרכזית שנחקרה בעבודה זו היא פוטולומינסנציה (Photoluminescence) – תהליך שבו חומר פולט אור בתגובה לאור המוקרן עליו. תופעה זו, שבה חלקיקי האור (פוטונים) נבלעים בחומר ונפלטים ממנו, ניצבת בליבן של טכנולוגיות רבות ובהן מנורות LED וחיישנים אופטיים. חוקרי הטכניון הראו כי השפעתם של חוקים פיזיקליים בסיסיים, שנוסחו לפני יותר ממאה שנה, רחבה הרבה יותר מכפי שנהוג היה לחשוב.

בראשית המאה הקודמת הראה הפיזיקאי מקס פלאנק שגוף המצוי בשיווי משקל תרמודינמי פולט קרינה כתלות בטמפרטורה של החומר ובתכונותיו. פיזיקאי גרמני אחר, גוסטב קירכהוף, הראה כי באותם תנאים, תכונות הבליעה והפליטה של החומר חייבות להיות זהות. עבודה זו של חוקרי הטכניון יוצאת מהמקרה הפרטי של קרינה תרמית לכל קרינה שהיא ומכלילה את הקשר בין החומר לקרינה מחוץ לשיווי משקל.  יתר על כן, במאמר החלוצי ב-Optica הם מציגים משוואה כללית המאפשרת לנבא, ובעיקר לעצב, את אופי האור הנפלט מחומרים זוהרים.

המודל החדש מתאר כיצד עליית הטמפרטורה משנה את האור בהדרגה: מצבע מוגדר וממוקד – כמו בנורת LED – לקרינה רחבה ועשירה בצבעים כמו קרינת השמש. בכך המודל מסביר בצורה מלאה, ולראשונה, איך שתי התופעות האלו קשורות זו בזו בבסיסן.

הגילוי המדעי של חוקרי הטכניון סולל דרך לשליטה בתכונות האור באמצעות שינוי הטמפרטורה לבדה. פיתוחים פוטנציאליים עתידיים הם התקנים אופטיים מתקדמים, תקשורת, חישה מדויקת ויישומים בתחום הקירור האופטי וניצול חום. לדברי פרופ’ רוטשילד, “המודל שפיתחנו מספק בסיס רחב להבנת תכונות האור ולתכנון מקורות קרינה המאופיינים בתכונות החומר הרצויות לנו. זו תשתית פיזיקלית חדשה למקורות האור של הדור הבא”.

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF) ומציב את הטכניון בחזית המחקר העולמי בחיבור שבין פיזיקה, תרמודינמיקה ופוטוניקה.

למאמר המלא ב–    Optica לחצו כאן