ננו-אנטנה ללכידת אור

כל מי שהשתמש אי-פעם בטלוויזיה, ברדיו או בטלפון נייד יודע מהו תפקידה של האנטנה: היא לוכדת את האותות הנישאים באוויר, אלו ההופכים את ההתקנים הללו לכה שימושיים. קבוצת מחקר מאוניברסיטת רייס (Rice) פיתחה אנטנה הלוכדת אור באותה הדרך, בקנה-מידה זעיר ובעלת פוטנציאל כביר.

הפיסיקאי למצב מעובה Doug Natelson מצא דרך להכין אנטנה אופטית המורכבת משני חודי זהב המופרדים ע”י פער ננומטרי הקולט אור מתוך לייזר. החודים “לוכדים את האור ומרכזים אותו במרווח זערורי שביניהם,” אמר החוקר הראשי, מה שמוביל להגברת עוצמת האור הקיימת במרווח פי אלף מונים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.

החוקר צופה כי התגלית תהיה שימושית בפיתוח של כלים לתחום האופטיקה ועבור הפיתוח של חיישנים כימיים וביולוגיים, אפילו ברמה של פרודה יחידה, ותקדם יישומים עבור בטיחות בתעשייה, הגנה וביטחון-פנים.

המאמר, פרי כתיבתם של חוקרים מגרמניה ומספרד, מתאר את השיטה, שבה מכווינים אלומת לייזר לעבר הפער שבין זוג חודי זהב המורחקים פחות מננומטר אחד.

“אתה יכול להתעלם מהעובדה כי אנטנת הרכב שלך מורכבת מאטומים; היא פשוט עובדת,” מדגיש החוקר Natelson, פרופסור לפיסיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת רייס. “אולם, כאשר אתה ממקם חלקים זעירים של מתכת קרוב מאוד אחד לשני, עלייך להתחשב בכל הגורמים. השדות אמורים להיות גדולים, המצב יכול להפוך למורכב ואתה עלול למצוא את עצמך בתנאים מגבילים. בכדי להבין מה בדיוק קורה בהתקן שלנו, נדרשנו לנצל פיסיקה היוצאת לפועל רק במצב בו עצמים ממוקמים מאוד קרוב אחד לשני.”

התברר כי המפתח למדידת הגברת האור הוא המדידה של דבר אחר לחלוטין – הזרם החשמלי העובר בין חודי הזהב. מיקום ננו-חודים כה קרוב מאפשר למטען החשמלי לזרום ע”י מנגנון של מנהור קוונטי כאשר האלקטרונים “מדלגים” מצד אחד לצד השני. החוקרים הצליחו להניע אלקטרונים באופן מדיד ומבוקר ביותר באמצעות “דחיפתם” בתדירויות נמוכות ע”י הפעלת מתח. הם הצליחו לגרום להם לזרום גם ע”י הקרנת אלומת לייזר, הדוחקת את המטען ע”י התדירות הגבוהה מאוד של הלייזר.

ע”י השוואה בין שני התהליכים ניתן לקבל ערך תקן שעל בסיסו אפשר לכמת את מידת הגברת האור, מסביר החוקר. השותפים הגרמניים והספרדיים לכתיבת המאמר סייעו באספקת המודלים התיאורטיים שנדרשו לחישובים.

ההגברה מתרחשת בעקבות תוצא פלסמוני (plasmonic effect), מסביר החוקר. פלסמונים, הניתנים לערור באמצעות אור, הינם אלקטרונים מתנודדים המצויים בתוככי מבנים מתכתיים ומתנהגים כעין גלים בבריכה סגורה. “יש לך מבנה מתכתי, אתה מקרין אור לעברו והאור גורם למבנה המתכתי להתנועע,” מציין החוקר. “ניתן לחשוב על האלקטרונים שבמתכת כעל נוזל בלתי-דחיס, בדומה למים באמבטיה. וכאשר אתה “מנענע” אותם הלוך ושוב, אתה מקבל שדות חשמליים.”

“על-פני שטח המתכת שדות אלו עשויים להיות גדולים מאוד – אפילו יותר מאלו שמקורם בקרינה החיצונית,” מציין החוקר. “מה שהיה מאתגר למדידה היה בדיוק ערך זה – עד כמה גדול השדה החשמלי שנוצר. באמצעות מדידות בו-זמניות, הן של הזרם החשמלי המתקבל בתדירות נמוכה והן של הזרם האופטי המתקבל בתדירות הגבוהה שבין שני החודים נקבע ערך זה.

הידיעה על המחקר