המופע האור-קולי

כתב העת Science מדווח על הצלחה ראשונה במיפוי תנועת האור בחומר דו-ממדי בזמן אמת. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים עקבו חוקרים בטכניון אחר תנועתו של גל משולב – גל קול וגל אור הנעים בחומר זה כמקשה אחת. הצלחה זו אינה רק הישג מדעי אלא גם פתח לפריצות דרך יישומיות רבות משום שפולסים קצרים הם אבן הבניין של תקשורת אופטית ושל העברת מידע בעולם המודרני.

ד”ר עדו קמינר

את המחקר הובילו ד”ר עדו קמינר, ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע”ש רוברט ורות מגיד, והדוקטורנט יניב קורמן מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש אנדרו וארנה ויטרבי בטכניון. ד”ר קמינר הוא גם חבר במכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר. במחקר השתתפו גם רפאל דהאן, ד”ר קנגפנג וואנג, מיכאל ינאי, יובל אדיב ואורי ריינהרדט ממעבדת AdQuanta של ד”ר קמינר וחוקרים מאוניברסיטאות בארצות הברית, בספרד ובצרפת.

חומרים דו-ממדיים, כלומר מבנים בעובי אטום בודד, הם תגלית חדשה ותחום מחקר צעיר יחסית; רק בשנת 2004 פותח חומר כזה לראשונה על ידי הפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, לימים חתני פרס נובל בפיזיקה (2010). באמצעות נייר דבק פשוט קילפו השניים שכבות דקות מגוש גרפיט עד שהגיעו לשכבה דקיקה המכונה כיום “גרפן”. הם הראו שתכונותיה של שכבה זו – מוליכות, חוזק ועוד – שונות מאוד מתכונותיו של גוש הגרפיט בהיבטים של חוזק ומוליכות חשמלית.

יניב קורמן

במרוצת השנים התבררו גם תכונותיהם האופטיות הייחודיות של הגרפן ושל חומרים דו-ממדיים שונים. מתברר שגלי אור בתדרים מסוימים מנדנדים את אטומי החומר הדו-ממדי באופן שמעורר בו גל קול המשפיע על גל האור. חוקרי הטכניון יצרו בחומר גל “אור-קולי” משולב הנע כמקשה אחת. הדבר נוגד כמובן את האינטואיציה, שכן מהירות האור המוכרת לכולנו (כ-300 מיליון מטר בשנייה) גבוהה כמעט פי מיליון ממהירות הקול (כ-340 מטר בשנייה). ההסבר הוא שאלה הנתונים כשמדובר בתנועה באוויר החופשי, אולם החומר הדו-ממדי מאט את האור ומאיץ את הקול וכך מתאפשרת התנועה המשותפת של שני סוגי הגל.

קיומו של הגל המשולב בחומר כבר הייתה ידועה, אולם עד כה לא פוענח דפוס ההתקדמות שלו. כעת כאמור הצליחו חוקרי הטכניון למפות את תנועת הגל המשולב בחומר הדו-ממדי ולעקוב אחר תנועתו מהיווצרותו ועד דעיכתו הסופית.

חוקרי הטכניון שיגרו אל שולי הדגם (המבנה הדו-ממדי) מטחי לייזר (פולסים) שיצרו בחומר את הגלים ההיברידיים. החוקרים גילו כי גלים אלה נעים במהירות הנמוכה כמעט פי 1,000 ממהירות האור באוויר החופשי (וגבוהה כמעט פי 1,000 ממהירות הקול באוויר החופשי).

המחברים הראשיים של המאמר, מימין לשמאל: ד”ר עדו קמינר, רפאל דהן ויניב קורמן

אולם זו לא הייתה ההפתעה היחידה. לדברי ד”ר קמינר, “גילינו שהגל המשולב משנה את מהירותו בחומר באופן ספונטני – מאיץ ומאט. הפתעה נוספת היא שהגל מתפצל לשני פולסים שונים הנעים במהירויות שונות.” התוצאה המודגמת בתמונה ובסרטון המצורפים היא תוצר של מיליארדי מדידות כאלה.

הניסוי כולו נערך באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר סופר-מהיר (ultrafast TEM). מיקרוסקופ זה מאפשר לעקוב אחר הגל המשולב ברזולוציה חסרת תקדים של זמן ומרחב. בניגוד למיקרוסקופ אופטי המוגבל לגבול הדיפרקציה, במיקרוסקופ אלקטרונים חודר עוברים האלקטרונים דרך הדגם ויכולים להגיע לרזולוציה מרחבית אטומית. רזולוציית הזמן מתאפשרת בעזרת לייזר פולסי המעורר גם את מה שרוצים למדוד בדגם אבל גם את האלקטרונים המודדים. כדי לסבר את האוזן, היא 50 פמטו-שניות, כלומר 50X10^-15 של שנייה (מספר הפריימים בשנייה שקול למספר השניות במיליון שנים).

לדברי קורמן, “צריך להבין שהגל המשולב, או הפולס, זז ממש בתוך החומר הדו-ממדי ולכן אי אפשר להביט עליו מבחוץ באמצעות מיקרוסקופ אופטי רגיל. כמעט כל המדידות של אור בחומרים אטומיים נעשות בשיטת מיקרוסקופיה שנוגעת בחומר, אבל כל מגע כזה מתערב בתנועת הגל. את הממצאים שלנו אי אפשר לקבל בשיטות הקיימות ולכן, מעבר לתגלית המדעית הנוכחית, אנחנו מציגים כאן שיטת מדידה שמעולם לא נראתה בתחום המחקר הזה ותהיה רלוונטית לתגליות רבות נוספות.”

בניית מערך הניסוי הייתה אתגר טכנולוגי עצום, והישג נוסף במחקר הנוכחי הוא שיגורו של פולס לייזר בתדר אינפרה-אדום בתוך החומר הדו-ממדי במיקרוסקופ האלקטרונים. קורמן וד”ר קמינר מדגישים כי הצלחה זו הושגה בזכות הדוקטורנט רפאל דהאן, שהיה מהנדס המעבדה בזמן הניסוי. השיפורים שהכניס דהאן במערכת איפשרו לשגר אל הדגם פולסים של אור שחוללו את הגל ההיברידי ובה בעת לגרום למיקרוסקופ למפות את תנועת הגלים.

אילוסטרציה של גל אור-קול בגל דו-מימדי ומדידה שלו בעזרת אלקטרונים חופשיים. SimplySci Animations

המחקר התבסס על שיתוף פעולה חדש עם קבוצות מחקר מובילות בארצות הברית (פרופ’ ג’יימס אדגר, Kansas State University), צרפת (פרופ’ מתיו קוסיאק, Université Paris-Saclay), וספרד (פרופ’ פרנק קופנס והפוסט-דוקטורנט ד”ר חנן הרציג שיינפוקס, ICREA, ICFO).

אף שמדובר במדע טהור, החוקרים מעריכים כי יהיו לו יישומים מחקריים ואחרים. לדברי ד”ר קמינר, “בשלב הראשון נוכל להשתמש במערכת כדי לחקור תופעות פיזיקליות שונות שאינן נגישות בדרך אחרת. אנו מתכננים ניסויים שקשורים במדידת מערבולות של אור, ניסויים בתורת הכאוס ואפילו ניסיונות לתכנון יחידות חישוב קוונטיות חדשות. מבחינה הנדסית, הממצאים שלנו עשויים לאפשר ייצור של סיבים אופטיים בעובי אטומי, שימוקמו ממש בתוך מעגלים חשמליים וכך יעבירו מידע בלי לחמם את המעגל – משימה הנתקלת כיום באתגרים רבים בשל מזעורם של התקנים אלקטרוניים ואחרים.”

המחקר מעורר עניין עצום בקהילה המדעית, כפי שניכר הן בקבלתו של המאמר לכתב העת היוקרתי Science והן בביקורות (reviews) שהובילו לקבלתו. “הממצאים הפתיעו אותי,” אמר פרופ’ הרלד גיסן מאוניברסיטת שטוטגרט, שלא היה מעורב במחקר. “זוהי פריצת דרך ממשית בננואופטיקה אולטרה-מהירה, שהושגה הודות לעבודה מדעית חדשנית וחלוצית. התצפית במרחב אמיתי ובזמן אמת היא, למיטב ידיעתי, חסרת תקדים.”

הפיזיקאי פרופ’ ג’ון ג’ואנופולוס מ-MIT התייחס למחקר ואמר כי “עבודתם של עדו קמינר, חברי קבוצתו ועמיתיו היא צעד חשוב לקראת מחקר והבנה של התכונות הדינמיות של גל משולב. גלים כאלה, למשל חבילות הגל בחומרים דו-ממדיים, מרתקים הן מבחינה מדעית והן מבחינה טכנולוגית. המחקר המתפרסם כעת מאפשר לראשונה לערוך תצפית ניסויית ישירה בתכונות הזמן-מרחב של גלים אלה בחומרים דו-ממדיים, ויש בכך חשיבות עצומה לתחום.”

מערך הניסוי. המיקרוסקופ הקוונטי בטכניון

על החוקרים:

ד”ר עדו קמינר זכה בפרס בלווטניק לשנת 2021 לחוקרים צעירים בקטגוריית מדעי הפיזיקה וההנדסה, ולאחרונה התקבל לאקדמיה הצעירה הישראלית.

יניב קורמן, בן 31, החל ללמוד בטכניון בשנת 2012 לתואר ראשון כפול בהנדסת חשמל ובפיזיקה ומשם המשיך לתואר שני ולדוקטורט במסלול ישיר בהנחייתו של ד”ר עדו קמינר בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי.

למאמר ב- Science לחצו כאן

לסרטון המסביר את המחקר:

לסרטון אנימציה:

בסרטון : אילוסטרציה של מהלך הניסוי שבו נמדד לראשונה פולס אור-קול בחומר דו-ממדי. כאשר אלקטרון חופשי עובר דרך החומר הוא משנה את מהירותו רק אם הוא “מרגיש” את הגל בדרכו. באמצעות סינון האלקטרונים אפשר לצלם את גל האור-קול.