לראשונה: לייזר ספין-אופטי ברמה האטומית – אופק חדש להתקנים אופטואלקטרוניים

חוקרים בטכניון פיתחו לייזר ספין-אופטי קוהרנטי מבוקר המבוסס על שכבה אטומית בודדת. הגילוי החדשני, שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials, מאפשר שליטה בספין של הפוטונים הנפלטים מחומר דו-ממדי וסולל דרך להתקנים פוטוניים חדשים המבוססים על “ספין-אופטיקה בסקאלה אטומית”.

התגלית מבוססת על אינטראקציה של שכבה אטומית בודדת עם מהוד דו-ממדי הממומש בעזרת ננוטכנולוגיה מתקדמת. לגלים אלקטרומגנטיים (אור) המתנהגים גם כחלקיקים נטולי מסה הנקראים פוטונים, יש תכונה פנימית – “סחרור” של הפוטונים (ספין). הספין, שהוא התנע הזוויתי הפנימי של הפוטונים, תלוי בכיוון הקיטוב המעגלי של האור. המחקר מנצל את התכונה הזאת של הפוטונים, סולל דרך לחקר תופעות קוהרנטיות תלויות-ספין הן בהקשר קלאסי והן בהקשר קוונטי ופותח אופקים חדשים למחקר בסיסי ולהתקנים אופטואלקטרוניים המבוססים על ספינים של אלקטרונים ופוטונים כאחד.

פרופ’ ארז חסמן

המחקר נערך בקבוצת המחקר של פרופ’ ארז חסמן, ראש המעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית בטכניון, בשיתוף פרופ’ אלעד קורן, ראש המעבדה לננו-חומרים אלקטרוניים וננו-רכיבים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ד”ר עשהאל כהן, עמית מחקר במרכז לחומרים דו-ממדיים במרכז מיקרו-ננואלקטרוניקה ופרופ’ אריאל ישמח מאוניברסיטת תל אביב. שתי קבוצות המחקר מהטכניון מקיימות שיתוף פעולה באמצעות מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון (RBNI) ומרכז הקוואנטום ע”ש הלן דילר בטכניון. המחקר בוצע והובל על ידי ד”ר קישו רונג (Dr. Kexiu Rong) פוסט-דוקטורנט מהקבוצה של פרופ’ חסמן, בשיתוף החוקרים הבאים:

Dr. Xiaoyang Duan, Dr. Bo Wang, Dr. Vladimir Kleiner, Dr. Assael Cohen, Dr. Pranab K. Mohapatra, Dr. Avinash Patsha, Dr. Subhrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chieh-li Liu, and Vladi Gorovoy.

חלק מהחוקרים השותפים למחקר במעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית של פרופ’ ארז חסמן

מהם חומרים דו-ממדיים? לדברי פרופ’ קורן, “בשנת 2004 נבחנה לראשונה האפשרות ליצירת שכבה אטומית בודדת כשהפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, לימים חתני פרס נובל בפיזיקה (2010), פיתחו שיטה פשוטה ליצירת שכבות בודדות של אטומי פחמן. השניים הצמידו נייר דבק לפיסת גרפיט וקילפו את החומר שכבה אחר שכבה עד להשגת שכבת אטומים בודדת המכונה גרפן. הם הראו ששכבת החומר האטומית שונה מאוד בתכונותיה מתכונותיו של החומר בצורתו התלת-ממדית. זהו חומר חזק פי מאה מפלדה ועם תכונות חשמליות יוצאות דופן, ועל פי ההערכות הוא צפוי לחולל מהפכה במוליכים ובמוליכים-למחצה, בצגים ובמסכים, בתאים סולריים ועוד. בעקבות גילוי זה פותחו שכבות אטומיות מחומרים אחרים, וגם הן הפגינו תכונות מפתיעות וייחודיות.”

פרופ’ חסמן ממשיך ומסביר: “בעקבות גילוי הגרפן התגלו ונחקרו חומרים דו-ממדיים רבים כגון מוליכים למחצה שונים שמאפשרים לקבל גם תכונות אופטיות מעניינות. שבבים אלקטרוניים סטנדרטיים מבוססים על סיליקון, המגביל מאוד את פיתוח הדור הבא של המחשבים שמחייב שילוב של אלקטרוניקה ופוטוניקה, וזאת בין השאר בשל חסרונו של מצב חיוני הקרוי ‘פער אנרגיה ישיר’ בסיליקון. להפתעתנו, במוליכים-למחצה דו-ממדיים התגלה אותו פער אנרגיה ישיר, מה שמאפשר לשלב באמצעותם פוטוניקה ואלקטרוניקה בסדרי גודל ננומטריים, לייצר בעזרתם מקורות אור והתקנים פוטוניים אקטיביים ולסלול דרך לדורות הבאים של השבבים.”

כדי למזער את השבב האלקטרוני ולהגדיל באופן משמעותי את מהירות העיבוד ואת קצב העברת האינפורמציה, הגישה המקובלת כיום היא ספינטרוניקה – ביצוע פעולות על הספין, אחת מתכונותיו החשובות של האלקטרון, ולא על זרם האלקטרונים. לפני כמה שנים ייסד פרופ’ ארז חסמן תחום חדש בשם ספין-אופטיקה, המאפשר לנצל את הספין של הפוטונים באמצעות מטא-משטחים לטובת העברה ועיבוד אינפורמציה בשבבים פוטוניים. העברת האינפורמציה מבוססת על שליטה בספין הפוטוני בעזרת ננופוטוניקה – אופטיקה בסקאלת הננומטר.

ד”ר קישו רונג מסביר, “חומרים מוליכים למחצה דו-ממדיים, מאופיינים ברמות אנרגיה שהפליטה מהם תלוית ספין, זאת בגלל שבירת הסימטריה לשיקוף. החוקרים בטכניון החליטו לנצל את התכונה הזאת ולצמד שכבה אטומית בודדת (WS₂) למהוד דו מימדי (מטא-משטחי) המבוסס על ננו אנטנות שמאפשרות שבירת סימטריה בספין הפוטוני וקבלת לייזר משבב בסקאלה אטומית המאפשר מקור אור קוהרנטי ומונוכרומטי תוך כדי שליטה ועיבוד אינפורמציה בספין הפוטוני.”

איור מדעי – לייזר ספין בסקאלה אטומית: התמונה מתארת את מבנה מהוד הלייזר המורכב משני סוגי מבנים של ננו-אנטנות. הקרינה כלואה במבנה הפנימי בלבד (צהוב). השכבה הפעילה של הלייזר – שכבה אטומית בודדת – נמצאת על המהוד. קרן הלייזר מפוצלת לשתי קרניים בספינים הפוכים של הפוטונים (חלקיקי האור), הניתנים לשליטה בעזרת שאיבת הלייזר (credit: Scholardesigner co, LTD).

ב-2020 פרסמו החוקרים מהטכניון בכתב העת Nature Nanotechnology יכולת קבלת מקור אור “רגיל” עם תכונות ספין מחומר דו-ממדי ומטא-משטח אופטי, כאשר הפוטונים לא היו מתואמים ביניהם במופע, באורך הגל ובכיוון (“כמו פנס עם אור מפוזר“), אבל האתגר שעוד נותר היה תיאום בין הפוטונים ויצירת לייזר ספין שפולט אור מכוון, זאת תוך כדי שימוש בחומר הדו-ממדי כמקור הגברה על ידי פליטה מאולצת. פרופ’ חסמן מציין כי “השגנו את המטרה הזאת בעזרת יצירת שדה מגנטי אפקטיבי שמפריד ושולט על מצבי הספין של הלייזר בממדים אלה, שלא יצריך מערכת נוספת – שדה מגנטי חזק כדי לחולל אותו (כמו אפקט זימן או פאראדיי) וטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט, ויצירת מהוד שמאפשר קיומם של אופנים עם תכונות ספין ומינימום אבודים.” הצלחתם סוללת כאמור דרכים חדשות ליצירת התקני לייזר זעירים העשויים לסייע בפיתוחם של יישומים חשובים שונים ומגוונים.

פרופ’ חסמן מציין בגאווה ש”הפרסום היוקרתי הנוכחי מראה את החשיבות של מחקר רב-תחומי המשלב פיזיקה, כימיה, מדעי החומרים והנדסה ושילובם של פוסט-דוקטורנטים בין-לאומיים בקבוצות המחקר.”

במחקר תמכו הקרן הלאומית למדע (ISF), ותוכנית נבט של RBNI (שיתוף מחקרי בין הקבוצות בטכניון). הרכיבים מומשו במרכז לננו-אלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל (MNFU) בטכניון.

אתרי המעבדות: https://hasman.technion.ac.il/ https://koren.net.technion.ac.il/

למאמר ב- Nature Materials לחצו כאן