חוקרים הוכיחו כי ניתן למקד חושך בדיוק כפי שניתן למקד אור
מה קורה לנו כשאנחנו נכנסים למקום חשוך מאוד? התחושה היא שהחושך עוטף אותנו ואנו מתקשות ומתקשים למקד את מבטנו בנקודה אחת. מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עם אוניברסיטאות בארצות הברית ובגרמניה וכן מכון החלל הגרמני (DLR), מראה לראשונה כי ניתן “למקד חושך”, כלומר לרכז גלים לנקודה אחת במרחב שבה תתקבל עוצמת אור מינימלית. זאת בצורה אנלוגית למיקוד המוכר (למשל על ידי עדשות או מראות כדוריות), שבסופו מתקבלת נקודת אור בוהקת.
החושך שבקצה המנהרה
גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה שמוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה במעבדתו של פרופ’ עדי אריה, ממובילי המחקר החדש, ביחד עם חלק משותפיו למחקר זה, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, שמראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה, כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.
המחקר נערך על ידי פרופ’ עדי אריה ופרופ’ לב שמר מהפקולטה להנדסה ע”ש איבי ואלדר פליישמן והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע”ש ריימונד ובברלי סאקלר. השתתפו בו גם חוקרים מאוניברסיטת אולם וממכון החלל הגרמני – ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך, והחוקר פרופ׳ וויליאם קייס מארה”ב. פרופ’ עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע”ש מרקו ולוסי שאול. המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B.
“מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור שעובר דרך עדשה. אנחנו ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב”, מסביר הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן ומרחיב “התופעה שגילינו בניסוי, ושאותה חקרנו גם באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר מתקבלת מינימום של עוצמה, בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה.”
התאום האפל של המיקוד הבהיר
במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד.
“הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים”, מוסיף רוזנמן.
רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: “יצרנו במעבדתו של פרופ’ לב שמר מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים”.
החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי ייתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. “בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך, אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות”, מסכם רוזנמן.
עוד בנושא באתר הידען:
