סיקור מקיף

אור, חומר – ומה שביניהם

על חומרים עם מקדם שבירת אור גדול, שאפשר לפתח מהם רכיבים אופטיים כגון עדשות מצלמה, מיקרוסקופים, מערכות דימות, מראות ופילטרים

מטא-חומרים הם חומרים מהונדסים, סינתטיים למחצה, בעלי תכונות ייחודיות שלא קיימות בטבע, אשר נוצרות בשל המבנה המלאכותי שלהם. ד”ר תומר לוי מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן וצוותו מהנדסים חומרים, וכך הופכים אותם למטא-חומרים, וחוקרים את האינטראקציה שלהם עם אור. זאת, כדי להבין את הפיזיקה שמעורבת באינטראקציה זו ולפתח רכיבים אופטיים שטוחים, כגון עדשות מצלמה, מיקרוסקופים, מערכות דימות, מראות, מפצלי אלומה (רכיבים שמפצלים קרני אור), מקטבים, הולוגרמות ופילטרים.

 

אפשר להשיג תכונות פיזיקליות מופלאות מאינטראקציה של אור וחומר מהונדס, כאלו שלא מתחוללות בטבע,

 

 

“אפשר להשיג תכונות פיזיקליות מופלאות מאינטראקציה של אור וחומר מהונדס, כאלו שלא מתחוללות בטבע, ולפתח על בסיסן רכיבים אופטיים מתקדמים – כמעט כל רכיב אופטי שקיים במעבדה ובתעשייה”, אומר ד”ר לוי. “אפשר למשל ליצור על פני שטח של סיליקון מבנים מרובעים בשיטות של פוטוליתוגרפיה ולהאיר עליו בלייזר – וכך להצליח להכניס לתוכו 100% מהאור במקום 70% במצב הרגיל שלו. כלומר, ליצור מצב שבו החזרת האור עומדת על אפס”.

ד”ר לוי וצוותו חוקרים גם תכונות פני שטח של חומרים אקזוטיים. למשל, חומרים דו-ממדיים (המורכבים משכבה בעובי אטום אחד) כמו גרפן ומבודדים טופולוגיים. זאת מכיוון שמדובר בתכונות ייחודיות שתורמות לניידות גבוהה של אלקטרונים על פני השטח, וכך מאפשרות לייצר רכיבים אופטו-אלקטרוניים זעירים ומתקדמים כמו גלאים ומאפננים.

מקדם השבירה של ביסמוט טלוריד (Bi2Te3) כפי שנמדד במעבדה בתחום האינפרא אדום.

במחקרם האחרון, שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, התמקדו החוקרים בקבוצת חומרים ששמם צ’לקוגנידים – תרכובות שמכילות לפחות יסוד אחד של גופרית, סלניום או טלוריום. כמה תרכובות שכאלו כוללות עופרת טלוריד, ביסמוט טלוריד וביסמוט סלניד. במחקר קודם גילו החוקרים שחומרים אלו מתאפיינים במקדם שבירת אור שמשתנה בעוצמה כתלות בטמפרטורה. מקדם זה הוא המדד המשמעותי ביותר בתחום האופטיקה; הוא זה שקובע עד כמה האור נשבר (מוחזר), נבלע או מתפזר, כאשר הוא פוגע בתווך מסוים. ככל שמדד זה גדול יותר, כך אפשר לשכלל יישומים אופטיים (כגון אורך מוקד של עדשה ופיזור האור בכיוונים שונים).

החוקרים הנדסו משטחים מצ’לקוגנידים, חיממו או קיררו אותם באמצעות זרם חשמלי וכך השפיעו על תכונותיהם. “שליטה דינמית במטא-משטח משנה דרמטית את תכונותיו, למשל, היא יכולה להפוך אותו משקוף לגמרי למחזיר אור ב-100%, מראה מושלמת”, מסביר ד”ר לוי.

בין השאר הנדסו החוקרים משטחים מעופרת טלוריד וחיממו אותם באמצעות זרם חשמלי. כך למעשה יצרו מסנן אופטי דינמי (פילטר ספקטרלי) – מתקן שמעביר קרני אור לפי תכונותיהן (כמו צבע וקיטוב), וחוסם את שאר הקרניים שאינן בעלות התכונות הללו, שניתן לפתוח ולסגור אותו כתלות במתח החשמלי. מסנן שכזה, קטן ונשלט חשמלית, יכול להשתלב למשל בחיישנים ובספקטרומטרים (מכשרי מדידה אופטיים לצפייה בטווח קרינה של מקורות אור) ולתרום למזעורם, כך שיהיו יותר מתקדמים, קלים לתפעול וזולים. כיום בספקטרומטרים רבים יש מסננים אופטיים המורכבים ממראות נעות רבות שאור מהדהד ביניהן. ד”ר לוי אומר  ש”במקום מערכת שאורכה עשרות סנטימטרים ומשקלה כקילוגרם, פיתחנו משטח שמשקלו עשרה גרם ואורכו של החלק הפעיל בו הוא פחות ממיקרון. בדקנו אותו בחישובים והדמיות וראינו שהוא פועל כמצופה”.

בנוסף, מדדו החוקרים את מקדם השבירה של החומר ביסמוט טלוריד וגילו שהוא הגדול ביותר שנמדד אי פעם. לפיכך הנדסו ממנו משטחים שהרזולוציה שלהם קטנה פי עשרה מאורך הגל של האור שפוגע בהם. כך אפשר לשלוט באור מרחבית, לדחוס אותו לתוך רכיבים אופטיים קטנים ולקבל רזולוציה הרבה יותר גבוהה. “גילינו שאפשר להנדס משטחים דינמיים, זעירים ויעילים ביותר גם מביסמוט טלוריד כדי שישמשו לרכיבים אופטיים מתקדמים. שכן, ככל שמקדם השבירה גדול יותר, האינטראקציה של האור עם החומר חזקה יותר”, מסכם ד”ר לוי.

החיים עצמם:

ד”ר תומר לוי, בזוגיות + שתי בנות (7, 9), גר בתל אביב. אוהב טניס, מוזיקה, קולנוע וטיולים.

עוד בנושא באתר הידען:

דילוג לתוכן