פוטון ואלקטרון נפגשים בתוך גביש פוטוני

מאמר שהתפרסם בכתב העת Nature מציג מערכת מיקרוסקופייה חדשנית המחוללת אינטראקציה חסרת תקדים בעוצמתה בין אור לחומר. המערכת, שנבנתה בטכניון באמצעות שילוב ושכלול של מוצרים מעולם המיקרוסקופייה והלייזר, היא הטובה בעולם בשילוב של רזולוציה בזמן, במרחב ובתדר.

את המחקר הוביל ד”ר עדו קמינר, ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע”ש רוברט ורות מגיד וחבר סגל בפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי ובמכון למצב מוצק. ד”ר קמינר הוא גם חבר במכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר. המחקר נערך בשיתוף פעולה בין הפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי והפקולטה למדע והנדסה של חומרים.

במאמר שותפים ד”ר קנפגנג וואנג, רפאל דהן, מיכאל שנציס, ד”ר ירון קאופמן, אורי ריינהרדט, עדי בן-חיון ושי צסס.

קבוצת המחקר של ד”ר עדו קמינר בטכניון (עדו משמאל). התמונה צולמה לפני תקופת הקורונה

המערכת האמורה, שנבנתה בתמיכה משמעותית של הטכניון ושל כמה מחוקריו המובילים, מאפשרת מיפוי חסר תקדים של התנהגות האור הלכוד במבנים ננומטריים כגון גביש פוטוני – מבנה ננומטרי שמאפייניו מכתיבים את התנהגות האור בתוכו.

התפתחויות מדעיות וטכנולוגיות הובילו לשיפור דרמטי באיכותם ובתכונותיהם של גבישים פוטוניים, והן מאפשרות אפילו ללכוד את האור בתוכם לזמן מה. לדברי ד”ר קמינר, “זו לא הפעם הראשונה שגבישים פוטוניים או מבנים ננו-פוטוניים אחרים לוכדים אור, אבל זאת תצפית ניסויית ישירה ראשונה באור הנלכד בהם. במערכת החדשה הצלחנו להדגים לראשונה תצפית כזו באמצעים קוונטיים חדשים. זהו ההישג העיקרי במחקר הנוכחי, והסיבה לפרסומו ב-Nature.”

האינטראקציה בין חומר לאור, ובפרט בין אלקטרון ופוטון, היא תופעה מרתקת המעסיקה קבוצות מחקר רבות בעולם, במיוחד כאשר האור לכוד במבנים רזונטיביים. אלה הם מבנים המסוגלים ללכוד את האור לפרק זמן ממושך. אפשר להמשיל זאת לשתי מראות המוצבות זו מול זו והאור מוחזר ביניהן שוב ושוב, אולם במבנים רזונטיביים ננומטריים התנהגות האור שונה מאוד, והאינטראקציות במבנים אלה חיוניות בפיתוח יישומים חדשניים ובהם מחשבים קוונטיים.

אלקטרונים, במצבם השכיח, אינם חופשיים. הם קשורים לאטומים, למולקולות ולישויות הקרויות “נקודות קוונטיות”, וקשר זה מגביל אותם בהיבטים רבים. בשנים האחרונות הוצגו סימולציות רבות המציגות מפגשים בין אור לאלקטרונים חופשיים שאינם חווים את אותן מגבלות, אולם הן לא מומשו ברמה הניסויית בשל קשיים טכנולוגיים מורכבים. כעת, באמצעות המערכת שנבנתה בטכניון, נערכה לראשונה תצפית ניסויית ישירה באינטראקציה בין אלקטרון חופשי לפוטון לכוד. כך התאפשרה גם מדידה ישירה של משך החיים של הפוטונים הלכודים.

החוקרים הצליחו לצפות באור בזמן שהוא לכוד בגביש ולמפות את האינטראקציה בינו לבין אלקטרון המשוגר לעברו. האלקטרון האמור משמש ככלי לצילום ומיפוי האור ברזולוציה מעולה, וזאת בזכות האינטראקציה הקוונטית שלו ברמת הפוטון הבודד.

המערכת שבנה ד”ר קמינר בטכניון מבוססת על מיקרוסקופ אלקטרונים – מכשיר המשגר אל הדגם הנבדק אלומת אלקטרונים ממוקדת ובוחן את התפזרותם של האלקטרונים. במידה מסוימת דומה מיקרוסקופ האלקטרונים למיקרוסקופ אופטי, רק שכאן לא נשלחת אל הדגם אלומת אור אלא אלומת אלקטרונים, ומיקוד האלומה אינו מבוסס על עדשות אופטיות אלא על עדשות אלקטרומגנטיות (סלילים). יתרונו העיקרי של מיקרוסקופ האלקטרונים על פני מיקרוסקופים אופטיים הוא בכושר ההפרדה (רזולוציה) הגבוה שלו. לעומת מיקרוסקופ אופטי, המוגבל להפרדה של כ-200 ננומטר, מיקרוסקופ האלקטרונים מסוגל להשיג הפרדה שמתחת לאנגסטרום (עשירית הננומטר). הסיבה להבדל היא העובדה שאורך הגל של האלקטרון קצר הרבה יותר מאורך הגל של האור.

“מיקרוסקופ האלקטרונים הסטנדרטי כבר מספק לנו רזולוציה חסרת תקדים,” מסביר ד”ר קמינר, “אבל יש לו גם כמה מגבלות קריטיות: הוא מייצר רק תמונות סטטיות, ללא רצף זמן מתמשך וללא צבעוניות.” המערכת החדשה שנבנתה בטכניון משלבת במיקרוסקופ האלקטרונים הבזקי לייזר מהירים וחזקים המספקים את שני האלמנטים החסרים – דינמיות וצבעוניות. מערכת זו מאפשרת כאמור גם מדידה ישירה של משך החיים של הפוטונים הלכודים.

ד”ר קמינר החל לתכנן את המערכת החדשנית עוד לפני שובו לטכניון, במידה רבה בהשראתם של שני חוקרים חשובים שעסקו באינטראקציות אור חומר: פרופ’ פבריציו קרבונה מ-EPFL (המכון הטכנולוגי של לוזאן), שבמעבדתו שהה ד”ר קמינר בתום הפוסט-דוקטורט שלו ב-MIT. ב-EPFL ערך פרופ’ קרבונה כמה הדגמות חלוציות של השילוב בין מיקרוסקופ אלקטרונים להבזקי לייזר, ויחד עם ד”ר קמינר הדגים שם לראשונה צביעה של תמונות מיקרוסקופ באמצעות צימוד של מקור לייזר חיצוני.

החוקר השני היה פרופ’ אחמד זֶווֵיל המנוח – המדען המצרי הראשון שזכה בפרס נובל במדעים (כימיה, 1999). זוויל פיתח בשנות חייו האחרונות שיטה חדשנית המשלבת מיקרוסקופיית אלקטרונים וקרינת לייזר; הוא הראה שבאמצעות הבזקי לייזר קצרים ומהירים אפשר לאפיין את הרכב החומר ואת השינויים החלים בו בזמן אינטראקציה כימית או אופטית, וזאת ברזולוציות חסרות תקדים.

כעת, במעבדתו החדשה בטכניון, לקח ד”ר קמינר את מערכת הניסוי החדשנית הזאת לעולם הפיזיקה הקוונטית. הוא מדגיש את תרומתו העצומה של מהנדס המעבדה רפאל דהן, שהוביל את הקמת מערכת המיקרוסקופייה החדשנית במרכז למיקרוסקופיית אלקטרונים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון.

מעבר להישג המדעי העצום, החשוב כשלעצמו, סולל המאמר דרכים ליישומיים חדשים בהתקני חישה קוונטיים, בטיפול במידע קוונטי, בצימוד חזק של אור וחומר ובפעולות אלקטרו-אופטו-מכניות באור לכוד. להערכת הדוקטורנט שי צסס השותף במאמר “יש כאן פוטנציאל ליצירת הרכבים חדשים של תכונות אלקטרוניות, אופטיות ומכניות, ולכן אנחנו מדברים על ‘אלקטרו-אופטו-מכניקה’ חדשה.”
לדברי ד”ר קמינר, “יש כאן פוטנציאל לקפיצת מדרגה ביכולתנו להחיל מיקרוסקופיית אלקטרונים על חומרים רכים וחומרים רגישים אחרים. האתגר הבא הוא להגדיל את יעילות האינטראקציה לרמות שיאפשרו יצירת מצבים קוונטיים חדשים וייחודיים.”

ד”ר עדו קמינר השלים תואר ראשון בהנדסת חשמל ובפיזיקה בטכניון במסגרת תוכנית העתודה פסגות ותוכנית רוטשילד טכניון למצוינים. לאחר מכן השלים תואר שני ודוקטורט בהנחיית פרופ’-מחקר מוטי שגב מהפקולטה לפיזיקה. עם שחרורו יצא לפוסט-דוקטורט ב-MIT, בהנחיית פרופ’ מרין סולייצ’יץ’ ופרופ’ ג’ון ג’ואנופולוס, בתמיכת מלגת מארי קירי, מלגת רוטשילד, ומלגת MIT-טכניון.
ב-2018 הוא הצטרף לסגל הפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי.

במהלך השנים זכה ד”ר קמינר בפרסים ומענקים רבים ובהם פרס האגודה הישראלית לפיזיקה לסטודנטים לתארים מתקדמים, פרס התזה המצטיינת לדוקטורט מטעם האגודה האמריקאית לפיזיקה, עמית עזריאלי ומענק ERC מטעם המועצה האירופית למחקר.

ד”ר קנגפנג וואנג, שהוביל את המחקר כפוסט-דוקטורנט בטכניון, הוא זוכה מלגת קרן ליידי דייויס. המחקר נתמך גם על ידי האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, שגם העניקה את מלגת אדמס לשי צסס, ועל ידי מלגה מקרן עזריאלי לחברי סגל לד”ר עדו קמינר. תרומתם הנדיבה של בוב ורות מגיד אפשרה את הקמת המעבדה ואת כל הניסויים שנערכו במסגרת המחקר הנדון כאן.

לסרטון המסביר את המחקר: