אור חדש בקצה המנהרה

משפכים אינם כלים היעילים רק במטבח – ניתן להשתמש בהם גם עבור המיקוד היעיל של האור. במקרה זה, המשפך הוא ננו-משפך, כלומר קטן בגודלו פי רבבה

אם אנו מעוניינים להימנע משפיכת נוזלים כאשר אנו מוזגים אותם במטבח שלנו אנו נשתמש במשפך. משפכים אינם כלים היעילים רק במטבח – ניתן להשתמש בהם גם עבור המיקוד היעיל של האור. במקרה זה, המשפך הוא ננו-משפך, כלומר קטן בגודלו פי רבבה.

צוות מדענים בינלאומי מקוריאה, גרמניה וארה”ב הצליח כעת למקד את האנרגיה של פעימות קרינה תת-אדומה באמצעות ננו-משפך ולהשתמש באנרגיה מרוכזת זו ליצירת הבזקי אור על-סגולי ממוקדים במיוחד. הבזקים אלו, החוזרים על עצמם 75 מיליוני פעמים בכל שנייה, התקיימו במשך מספר פמטו-שניות בלבד. טכנולוגיה חדשה זו תוכל לסייע בעתיד במדידות התנועה של אלקטרונים ותאפשר כושר הפרדה גבוה ביותר מבחינת המרחב וציר הזמן.

אור הוא צורון בר-המרה – אורכי-הגל המרכיבים אותו עשויים להשתנות בבואם במגע עם חומר, כאשר הן סוג החומר והן צורתו חשובים להמרת התדירות. צוות מדענים בינלאומי הצליח עתה לשנות את גלי האור באמצעות ננו-משפך המורכב מהמתכת כסף. המדענים המירו פעימות לייזר (פמטושניות = מיליונית המיליארדית של שנייה) בטווח הספקטראלי של קרינה תת-אדומה להבזקי אור בטווח הספקטראלי של קרינה על-סגולה קיצונית (EUV). הבזקי לייזר העושים שימוש בקרינה מסוג זה משמשים בתחום הפיסיקה לשם חקר אטומים ומולקולות.

קרינה תת-אדומה ניתנת להמרה לקרינה על-סגולה קיצונית באמצעות תהליך המוכר בשם high-harmonic generation, שבאמצעותו האטומים נחשפים לשדה חשמלי חזק שמקורו בפעימות הלייזר של הקרינה התת-אדומה. שדות אלו צריכים להיות ברמת העוצמה כשל השדות הקושרים יחדיו את האטומים עצמם. שימוש בשדות אלו מאפשר הרחקת אלקטרונים מהאטומים והאצתם במלוא מהירותם חזרה לעבר האטומים. פגיעתם באטומים מייצרת קרינה אנרגטית במיוחד בטווח הספקטראלי של קרינה על-סגולה קיצונית.

על מנת לקבל את השדות החשמליים העוצמתיים הנדרשים ליצירת קרינה זו, צוות המחקר השתמש עתה בננו-משפך על מנת למקד את השדה החשמלי של הקרינה. באמצעות הטכנולוגיה החדשה שלהם, החוקרים הצליחו לייצר מקור עוצמתי לקרינה על-סגולה קיצונית בעלת אורכי-גל של 20 ננומטרים. מקור הקרינה החדש מפגין קצב פעילות גבוה במיוחד שמעולם לא הושג: הבזקי הקרינה העל-סגולה הקיצונית חוזרים על עצמם 75 מיליון פעמים בכל שנייה.

ליבת הניסוי הייתה משפך חרוטי, זעיר בגודלו, באורך של מספר מיקרומטרים בלבד, העשוי מהמתכת כסף והמלא בגז קסנון. החוד של המשפך (הקצה הצר) היה בעובי של 100 ננומטרים בלבד. פעימות הקרינה התת-אדומה כוונו לעבר פתח הכניסה של המשפך ונעו בתוכו לכיוון היציאה הצרה במיוחד. הכוחות האלקטרומגנטיים של הקרינה גרמו לתנודות של האלקטרונים בתוככי המשפך. הדופנות הפנימיות של המשפך הורכבו מאזורי מתכת הטעונים חיובית ושלילית לסירוגין, וכך נוצרו שדות אלקטרומגנטיים חדשים בתוככי המשפך. שדות אלו נעים לעבר החוד הצר של המשפך כאשר צורת החרוט שלו מאפשרת מיקוד של שדות אלו. “השדה המתקבל בתוככי המשפך עשוי להיות עוצמתי פי מאות אחדות מאשר השדה המקורי של הקרינה התת-אדומה. שדה מוגבר עוצמתית זה הוא המייצר את הקרינה העל-סגולה הקיצונית בגז הקסנון,” מסביר פרופסור Mark Stockman, אחד ממדעני המחקר.

לננו-המשפך יש תפקיד נוסף – הפתח הצר ביציאתו מתפקד כעין “שער” לאורכי-הגל של האור. לא כל פתח מאפשר העברה של אור דרכו – אם הפתח קטן ממחצית אורך-הגל של האור הצד השני נותר חשוך. הפתח של המשפך, שגודלו 100 ננומטרים, לא אפשר מעבר של אור תת-אדום באורך של 800 ננומטרים. מאידך, הקרינה העל-סגולה הקיצונית החדשה שנוצרה, באורך של 20 ננומטרים בלבד, כן הצליחה לעבור דרכו. “המשפך מתפקד כמסנן אורכי-גל יעיל: בפתח הצר שלו יכולה לעבור קרינה על-סגולה קיצונית בלבד,” מסביר אחד מהשותפים למחקר.

“לנוכח אורכי-הגל הנמוכים שלהם ומשכי הזמן הקצרים של מרווחי הפעימות שלהם, הבזקי קרינה על-סגולה קיצונית מהווים אמצעי חשוב לחקר הדינאמיקה של אלקטרונים באטומים, במולקולות ובמוצקים”, מוסיף אחד החוקרים. אלקטרונים הינם צורונים מהירים באופן קיצוני, ועל-מנת לבחון את תנועתם, יש צורך בהבזקי קרינה הקצרים מסקלת הזמנים של התנועה עצמה. “אנו סבורים כי ננו-המשפך החדש שלנו יאפשר להגיע לסקאלת זמנים המתאימה לחקר כזה”, מציין אחד מהחוקרים.

גם קצב החזרה של ההבזקים חשוב במיוחד, למשל עבור היישום של קרינה על-סגולה קיצונית בספקטרוסקופיית אלקטרונים על-גביי משטחים. האלקטרונים דוחים אחד את השני באמצעות כוחות קולומביים. לכן, יש צורך להגביל את תנאי הניסוי כך שיתקבל אלקטרון יחיד בכל פעימת לייזר. “על מנת לערוך ניסויים בעלי כושר הפרדה גבוה בציר המרחב ובציר הזמן יש צורך במקור קרינה על-סגולה קיצונית בעלת קצב חזרה גבוה,” מסביר החוקר. השילוב החדשני של טכנולוגיית לייזר וננו-טכנולוגיה, הטמון בננו-המשפך החדש, יוכל לסייע בעתיד להפיק סרטונים בהם נראית תנועתו המהירה במיוחד של האלקטרון על-גבי משטח, בכושר הפרדה שמעולם לא הושג עד כה.
הידיעה על המחקר