התקן חכם, מבוסס שכבה אטומית בודדת, אשר ממיין ושולט בספין הפוטונים, עשוי להוביל לפיתוח מחשבי הדור הבא
לשכבות אטומיות בודדות של חומרים (או חומרים דו-ממדיים) יש מאפיינים אופטיים ואלקטרוניים ייחודיים שאינם קיימים בחומרים בקנה מידה רגיל. כשאנו חושבים על תכונות של חומר, אנו בדרך כלל מניחים שהן מבוססות אך ורק על מרכיבי החומר. לדוגמה, מתכת מוליכה חשמל מכיוון שהאטומים שלה מוחזקים יחד באמצעות קשרים מתכתיים, שמשאירים אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע דרך החומר כאשר מפעילים עליו שדה חשמלי. עם זאת, יש גורמים נוספים שיכולים להשפיע על התנהגותו של חומר: למשל, גודלו. זה נכון במיוחד כאשר ממדי החומר מצטמצמים ל-100 ננומטרים או פחות (ננומטר הוא מיליונית המילימטר). מוליכות חשמלית, תגובות כימיות, תכונות מכניות ואפילו האופן שבו חומר מקיים יחסי גומלין עם אור – כל אלה יכולים להשתנות בחומר שגודלו מצטמצם לרמה של ננומטרים מעטים. ככל שהתקדמה יכולתנו ליצור וללמוד חומרים בסדר גודל ננומטרי, מתגלים מאפיינים חדשים, מרתקים ובלתי צפויים, דבר הפותח אפיקים חדשים לחלוטין לטכנולוגיות עתידיות המסתמכות על גודל החומר כמו גם על תכונותיו הבסיסיות.
מה השאלה?כיצד אפשר לשלוט בתכונת הספין של חלקיקי האור?
אפשר לסווג חומרים ננומטרים לפי המספר הכולל של הממדים הננו-סקופים שלהם. לדוגמה, אם כל שלושת הממדים של החומר הם בגודל ננומטרי, החומר נקרא אפס-ממדי, או בשמו הידוע יותר: ננו-חלקיק. אם שני ממדים של חומר הם בגודל ננומטרי, כאשר הממד השלישי גדול בהרבה (בדומה לקטע מחרוזת שהתכווצה לגודל זעיר), המדענים אומרים שזהו חומר חד-ממדי (“צינור”, או “ננו-חוט”). אם רק ממד אחד הוא בגודל ננומטרי, החומר הינו דו-ממדי, בדומה לגיליון גדול אך דק מאוד (כמו פיסת נייר).
סוג נוסף של חומרים הם מטא-חומרים: מבנים ננומטרים מלאכותיים שאינם קיימים בטבע. קטגוריה ייחודית של חומרים מהונדסים אלה, היא קבוצת המטא-משטחים: מבנים מלאכותיים דו-ממדים דקים המיוצרים בטכנולוגיות חדשניות המקיימים יחסי גומלין ייחודיים עם האור באמצעות “אנטנות” ננומטריות אופטיות קטנות, המאפשרות לעצב חזיתות של גלים. קבוצת המחקר של פרופ’ חסמן, בטכניון, הניחה את היסודות לתחום המטא-משטחים האופטיים, שנחשב כיום לאחד מהתחומים החמים ביותר באופטיקה. הטכנולוגיה שפיתחה מעבדתו של פרופ’ חסמן – בין היתר בסיוע מענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – מאפשרת לממש מטא-משטחים מבודדים מדויקים מאוד מסילקון, ללא מתכות, שאינם בולעים את האור.
לאחר גילוי הגרפן, חומר מוליך למחצה דו-ממדי העשוי שכבה אחת של פחמן, וחקר תכונותיו הייחודיות, התגלו ופותחו מוליכים למחצה דו-ממדים רבים אחרים. בחומרים אלה עשוי להתקיים מצב חיוני הנקרא “פער אנרגיה ישיר” שאינו קיים בסיליקון. חסרונו של מצב חיוני בסיליקון, מהווה מגבלה טכנולוגית באינטגרציה של אלקטרוניקה ופוטוניקה, הנחשבת לשילוב שעשוי לסייע לפיתוח הדור הבא של המחשבים. הגילוי של פער אנרגיה ישיר בחומרים דו-ממדים מאפשר כעת לשלב פוטוניקה ואלקטרוניקה בקנה מידה ננומטרי כדי ליצור רכיבי מחשוב עתידיים.
חברי קבוצת המחקר של פרופ’ חסמן, בשיתוף עם קבוצת המחקר של פרופ’ אלעד קורן, גם הוא מהטכניון, פיתחו התקן מבוסס שכבה אטומית בודדת של טונגסטן סלניד, המסוגל לתמרן אור (פוטונים) לעיבוד מידע. העברה ועיבוד מידע בשבבים אלקטרוניים זעירים מבוססת על פעולות הספין האלקטרוני, דרגת חופש פנימית של חלקיק קוונטי, המאפיינת את תקיפת הסחרור של האלקטרונים – גישה הקרויה ספינטרוניקה (כלומר, ביצוע פעולות על תכונת הספין של האלקטרון, ולא על מטענו החשמלי). עם זאת, פיתוח תחום הספינאופטיקה על ידי פרופ’ חסמן, אפשר להשתמש בספין של הפוטונים (חלקיקי האור), ולא בזה של האלקטרונים. השליטה בספין של הפוטונים, באמצעות מטא-משטחים, איפשרה להעביר מידע ולעבדו.
חומרים מוליכים למחצה עם סימטריית היפוך שבורה של מבניהם, הם בעלי רמות אנרגיות אלקטרוניות תלויות ספין עם יכולת לשלוט בפליטת אור בררנית. חוקרי הטכניון ניצלו מאפיין זה בשכבה אטומית אחת, באמצעות יחסי גומלין עם “אנטנות” ננומטריות תלויות כיוון, כ”משטחי פאזה” גיאומטריים שהורכבו כך שכיוונם השתנה לאורך המבנה ואפשר לשבור את הסימטריה בספין הפוטוני.
האנטנות הננומטריות, יחד עם השכבה האטומית היחידה, הוטמעו על גבי גביש פוטוני דו-ממדי העשוי מסיליקון, ליצירת פגמים פוטוניים חכמים בגביש. גביש פוטוני הוא ננו-מבנה מלאכותי הבנוי באופן מחזורי מחומרים מבודדים ושקופים, המתוכננים בדרך שמשפיעה על מעבר הפוטונים (אור) דרכו.החוקרים יצרו פגמים חכמים בתוך הגביש הפוטוני, ובאמצעות שליטה בהם, יצרו מקור אור משכבה אטומית אחת המפרידה וממיינת את הספינים של הפוטונים הנפלטים מהמוליכים למחצה הדו-ממדים.
החוקרים יצרו פגמים חכמים בתוך הגביש הפוטוני, ובאמצעות שליטה בהם, יצרו מקור אור משכבה אטומית אחת המפרידה וממיינת את הספינים של הפוטונים הנפלטים מהמוליכים למחצה הדו-ממדים.
שילוב זה בין ספינטרוניקה לספינאופטיקה, עשוי לסלול את פיתוחם של התקנים פוטונים חדשים כמו שבבים בקנה מידה אטומי עם יכולת לשלוט ולעבד מידע המבוסס על ספין של פוטונים שנפלטים ממבנים דו-ממדים.
קבוצת המחקר של פרופ’ ארז חסמן, וקבוצתו של פרופ’ אלעד קורן, משתייכות למרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר ולמכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי בטכניון. המחקר בוצע והובל על ידי ד”ר קישו רונג (Dr. Kexiu Rong) וד”ר בו וונג (Dr. Bo Wang) בשיתוף החוקרים ד”ר אלחנן מגיד, ד”ר ולדימיר קליינר, ואבי ראובן. במחקר תמכו גם משרד המדע והטכנולוגיה, ולשכת המחקר של חיל האוויר האמריקאי. הרכיבים מומשו במרכז לננו-אלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל בטכניון.
החיים עצמם:
“כדי לחזק את היצירתיות שלי”, אומר פרופ’ חסמן, “אני נהנה בשעות הפנאי מעיסוק בספורט, שחיה, טניס, רכיבה על אופניים, ריצה וכדורסל. תמיד קיבלתי את ההשראה מהספורט. יכולת השליטה במסלול הפוטונים באמצעות הספין הגיעה מטניס וכדורגל. חבטות כדור עם סיבוב ובעיטת “בננה” כתוצאה מסיבוב הכדור, בדומה לשער ה’ענק’ של השחקן הברזילאי רוברטו קרלוס במשחק נגד נבחרת צרפת בגביע הקונפדרציות, אותו הבקיע בבעיטה חופשית מ-35 מטרים. הכדור עף במסלול דמוי בננה והגיע למהירות של כ-100 קמ”ש”.
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
תוכלו להסביר לנו מה זה ספין?