חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב הצליחו ליצור גביש פוטוני שמאפשר שליטה חסרת תקדים באור

חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב הצליחו להנדס חומר לא-לינארי חדש, שמאפשר שליטה חסרת תקדים בתדרים של אור. את החומר החדש פיתחו נדב סגל, שי קרן-צור, נטע הנדלר וד"ר טל אלנבוגן מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש פליישמן. המסטרנט נדב סגל קיבל על המחקר את הפרס על שם משפחת פדר על עבודת מחקר מצטיינת בתחום טכנולוגיות התקשורת, ואילו הדוקטורנט שי קרן-צור קיבל את מלגת המרכז לאנרגיה מתחדשת באוניברסיטת תל-אביב. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Nature Photonics.

אור בתדרים חדשים

"חומרים אופטיים לא-לינאריים", מסביר ד"ר אלנבוגן, "הם חומרים המגיבים לאור באופן שאינו עומד ביחס ישר לשדה האלקטרומגנטי של האור. במילים אחרות, כאשר קרני האור עוברות דרך חומרים אלה, נוצר בהם אור בתדרים חדשים. לכן חומרים אופטיים לא-לינאריים הם הבסיס לטכנולוגיות עתידיות המבוססות על שליטה באור, כגון טכנולוגיות מחשוב אופטי".

מאלקטרוניקה לעיבוד אותות אופטיים

"העולם עובר היום מאלקטרוניקה, כלומר מעיבוד של אותות אלקטרוניים, לעיבוד של אותות אופטיים", אומר ד"ר אלנבוגן. "למשל, כל המידע שעובר עכשיו באינטרנט בסיבים אופטיים מגיע ליחידות קצה אלקטרוניות, ושם עובר עיבוד לאות אלקטרוני. כך גם במחשבים: כל עיבוד של אות הוא עיבוד אלקטרוני. יש אינטרס אדיר לעבור בהרבה מערכות לעיבוד אותות אופטי, כי הוא גם חוסך באנרגיה וגם הרבה יותר מהיר".

כדי לעבור מעיבוד של אותות אלקטרוניים לעיבוד של אותות אופטיים, יש צורך לפתח רכיבים אופטיים אקטיביים בסקלה ננו-מטרית שיוכלו לתפקד כאבני הבסיס לטכנולוגיה החדשה. הרכיבים האלה צריכים להיות מסוגלים לשלוט באור. בזכות ההתקדמות העצומה של הננוטכנולוגיה, אפשר היום ליצור מבנים ננומטריים מחומרים שונים ולנסות למצוא פתרון לאתגר הטכנולוגי הזה.

יצירת חומרים עם תכונות חדשות

"בעזרת ננו-מבנים אלו אנחנו יוצרים חומרים עם תכונות אופטיות חדשות", אומר ד"ר אלנבוגן. "הם נקראים לפעמים מטא-חומרים כי יש להם תכונות שאין לחומרים בטבע. בשנים האחרונות התחילו לייצר גם מטא-חומרים לא-לינאריים הפותחים אפשרויות חדשות לשליטה באור".

"כשאנחנו מדברים על אור", מסביר שי קרן-צור, כל התכונות של חומרים רגילים, וכן של מטא-חומרים, כגון החזרה, בליעה וכו' – כל התכונות הללו עדיין משאירות את תדר האור כמו שהוא. אף תכונה לינארית לא מסוגלת לשנות את התדר". חומרים לא-ליניאריים מאפשרים הכפלה של תדר אור, וכן חיבור תדרים שונים. שני פוטונים שעוברים בחומר לא-לינארי באים באינטראקציה אחד עם השני, כך שניתן לשלוט בפוטון האחד בעזרת הפוטון האחר.

"לאחרונה הדגימו שניתן לייצר מטא-חומרים אופטיים לא-לינאריים שבנויים מננו-אנטנות אופטיות", אומר ד"ר אלנבוגן. "במחקר שלנו הדגמנו שאם מסדרים את הננו-אנטנות בסדר מסוים, אז המטא-חומר מתנהג כמו גביש אור, מה שנותן לנו את האפשרות לשלוט באור שנפלט מהגביש – גם בכיוון שלו וגם בפאזה שלו. זה בעצם לא שונה ממתגים אלקטרוניים, אלא שהם פועלים על אור. לשליטה הזאת באור יש אפליקציות רבות. לכן חברות-ענק כמו IBM ואינטל שופכות היום הרבה מאוד כסף על תחום הננו-פוטוניקה".

אנחנו לא המצאנו את תחום המטא-חומרים הלא-לינאריים", מסביר נדב סגל, "אבל אנחנו הראנו איך אפשר לשלוט באור שיוצא משם - איך יוצרים גביש פוטוני שמאפשר שליטה חסרת תקדים באור".

"אחרי שראינו שהרעיון שלנו עובד בתיאוריה, התחלנו לייצר את החומר עצמו, ממש פה במרכז הננו של אוניברסיטת תל-אביב", אומר שי קרן-צור.

פיתוח החומר החדש ארך שנתיים, ובסופו הינדסו החוקרים דגם של גביש אור לא-לינארי, שמורכב מיחידות בסיסיות של זהב בגודל של 180 על 180 ננו-מטרים. החוקרים מאמינים שבעתיד ישתמשו בחומר החדש על מנת ליצור שלל של מוצרים לתעשיית האלקטרוניקה והמחשבים, כגון מתגים אופטיים, ממירי תדר של לייזרים ומגברי אור. עתה הם מתכוונים לחקור את מלוא האפשרויות של הרכיב החדש, כמו חיבור וחיסור של תדרים.