אופטיקה חדשה

חוקרים בטכניון יצרו מערכת אופטית חדשה: “קיפודי אור” ננומטריים הסוללים דרך ליישומים חדשים בעיבוד מידע, בהעברתו ובאחסונו. המערכת צפויה להוביל לגילוי מגוון תופעות אופטיות חדשות

משתתפי המחקר במעבדת ברטל בפקולטה להנדסת חשמל. מימין לשמאל: פרופ”ח נתנאל לינדנר, שי צסס, פרופ”ח גיא ברטל, קובי כהן, יבגני אוסטרובסקי וברגין ג’יונאי

חוקרים בטכניון הצליחו לייצר “קיפודי אור” זעירים הקרויים סקירמיונים אופטיים וטומנים בחובם פוטנציאל לפריצת דרך בעיבוד מידע, בהעברתו ובאחסונו. את המחקר, שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Science, הובילו פרופ’-חבר גיא ברטל מהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי ופרופ’-חבר נתנאל לינדנר מהפקולטה לפיזיקה בטכניון. במחקר השתתפו פרופ’ ברגין ג’יונאי מהפקולטה לרפואה באוניברסיטה האלבנית בטיראנה והסטודנטים שי צסס, יבגני אוסטרובסקי וקובי כהן.

המונח “סקירמיון” (skyrmion) מבוסס על שמו של הפיזיקאי הבריטי ד”ר טוני סקירם (Skyrme), שהגה בשנת 1962 שיטה להגברת יציבות של מערכות פיזיקליות עתירות אנרגיה, וזאת באמצעות שדות זעירים בעלי תצורה מרחבית “קיפודית”. במרוצת השנים מומש רעיון זה גם בחומרים מגנטיים ואחרים, וכיום נחשבים הסקירמיונים להבטחה גדולה – בין השאר בהגדלת נפח האחסון של זיכרונות מחשב.

כיום מאוחסן רוב המידע בעולם על כוננים קשיחים, שהקריאה מהם מבוצעת על ידי זרוע מכנית. ניהול מידע באמצעות סקירמיונים, לעומת זאת, מבוסס על הזזה לא מכנית של הסקירמיונים באמצעות זרמי חשמל חלשים. תכונה נוספת של הסקירמיונים היא ממדיהם הזעירים – הם קטנים פי 10,000 מקוטרה של שערה. מאפיינים אלה צפויים לייעל, להאיץ ולהוזיל באופן דרמטיים תהליכים של עיבוד מידע, העברתו ואחסונו.

מערך של סקירמיונים אופטיים. השדה החשמלי בכל תא במערך אינו אחיד בכיוונו אלא מצביע לכל כיוון אפשרי במרחב

חוקרי הטכניון הם הראשונים המרחיבים את הרעיון של ד”ר סקירם לתחום האופטיקה; הם הצליחו ליצור סקירמיונים באמצעות השדה החשמלי של גלים אלקטרומגנטיים המתקדמים בתוך חומרים ייעודיים. בניגוד לגלי אור “רגילים”, שהשדה החשמלי שלהם מכוון בדרך כלל בכיוון ספציפי (עיקרון פיזיקלי שעליו מתבססים, לדוגמה, משקפי שמש מקטבים), חוקרי הטכניון הראו כי השדה החשמלי יכול לקבל את הצורה ה”סקירמיונית” ולפנות לכל העברים בעת ובעונה אחת כך שצורתו המרחבית מזכירה קוצים של קיפוד. יתר על כן, הם הראו שאותם “קיפודי אור” אינם מושפעים מפגמים בחומר שבו נוצרו.

להצלחה ביצירת סקירמיונים בגלים אלקטרומגנטיים עשויה להיות חשיבות מכרעת ביישומים פרקטיים. כיום חומרים בהם נוצרים סקירמיונים הם נדירים ביותר ודורשים קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד, לרוב באמצעות חנקן או הליום נוזלי. התגלית החדשה עשויה ליצור בעתיד את התופעה הייחודית הזו במגוון מערכות וחומרים כגון נוזלים, מערכי ננו-חלקיקים וגזים של אטומים קרים. המחקר עשוי להוביל גם ליישומים חדשים של סקירמיונים בעיבוד מידע, בהעברתו ובאחסונו בדרכים אופטיות ולא מגנטיות.

המחקר נערך בשיתוף המרכז לננואלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה ובתמיכת קרן ג’ייקובס, מרכז המצוינות I-CORE, קרן המדע הישראלית (ISF) והמועצה האירופית למחקר (ERC).

למאמר ב- Science: לחצו כאן