סיקור מקיף

חוקרי הטכניון גילו ופיתחו מקורות אור חדשים הפולטים זוגות של פוטונים

שלושה פטנטים נרשמו סביב הגילוי והטכנולוגיה נמצאת בתהליכי מסחור מתקדמים; ניתן יהיה להשתמש בהתקנים החדשים לגילוי סרטן, ליצירת לייזרים מתקדמים ומדידות מדויקות, כמו גם לבניית תקשורת ומחשבים קואנטים

פוטונים נפלטים מקרן לייזר קוהרנטית בניסוי צבאי אמריקאי. צילום: מתוך ויקיפדיה
פוטונים נפלטים מקרן לייזר קוהרנטית בניסוי צבאי אמריקאי. צילום: מתוך ויקיפדיה

חוקרי הטכניון גילו ופיתחו מקורות אור חדשים הפולטים זוגות של פוטונים, דבר שיסייע בזיהוי סוגי מחלות סרטן, יצירת לייזרים מתקדמים ופולסים אופטיים קצרים ביותר וכן בניית תקשורת ומחשבים קואנטים. הטכניון רשם שלושה פטנטים על הגילוי ונמצא בהליכי מסחור של הטכנולוגיה.

"מקורות אור פולטים אור המורכב מפוטונים", מסביר פרופסור מאיר אורנשטיין מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון. "קבוצתנו גילתה ופיתחה מקורות אור חדשים הפולטים זוגות של פוטונים ולא זרם של פוטונים". הגילוי פורסם בכתב העת המדעי Nature Photonics ועורר עניין רב בעולם המדעי. על האפשרות הפיסיקאלית של פליטת זוגות פוטונים – ידוע כבר עשרות שנים, אולם עד כה איש לא הצליח למדוד את התופעה בחומרים ישימים (היא נמדדה רק באטומים במצב גזי). חוקרי הטכניון החליטו לנסות למדוד אותה גם במצב מוצק ואכן הצליחו לעשות זאת בחומרים שהם מוליכים למחצה. אחרי שהם הדגימו את התופעה הפיסיקאלית – כאמור לראשונה במצב מוצק, הם בנו התקן LED מיוחד, אשר פולט זוגות פוטונים ולא זרם פוטונים. להישג המדעי הזה הגיעו פרופסור אורנשטיין והדוקטורנטים שלו – אלכס חיאט ופאבל גינצבורג, ובהמשך גם אמיר נבט.

"למקורות אור אשר פולטים זוגות פוטונים, יש תכונות שונות מאלה של מקורות האור המוכרים כיום", מסביר פרופסור אורנשטיין. "ראשית, ההתקן שלנו פולט בו זמנית תחום צבעים מאוד רחב, ובמיוחד בכל תחום האינפרא אדום – דבר שאידאלי לחישה – למשל לזיהוי מזהמים או חומרים ביולוגיים. כדי לגלותם יש להאיר עליהם בתחום צבעים רחב מאוד. ה-LED הרגיל פולט אור בצבע מסויים ולא בצבעים רבים. תכונה נוספת של ההתקן שלנו, היא פליטה בפולסים מאוד קצרים בזמן, דבר המסייע למדידות מדויקות של זמנים ומרחקים. כמו כן, העובדה שכל זוג פוטונים נפלט בו-זמנית, יוצר בין הפוטונים האלו קשר קואנטי החיוני לבניית מחשבים ותקשורת קואנטים. כל אלו מיושמים ברכיב קטן מאוד הפועל בטמפרטורת החדר ועלותו נמוכה מאד".

באחרונה דיווחו חוקרי הטכניון על עוד שתי פריצות דרך בתחום זה. במאמר בכתב העת המדעי Physical Review Letters דיווחו על הפעם הראשונה שבה נבנה מגבר אופטי של זוגות פוטונים במצב מוצק. במגבר אופטי כמות האור היוצאת מההתקן גדולה מכמות האור הנכנסת אליו וזו אבן הפינה הבסיסית עליה ניתן לבנות לייזר של זוגות פוטוניים. חוקרי הטכניון הצליחו גם לשלב את פליטת זוגות הפוטונים בתוך מבנים ננו-מטריים, ובכך הגדילו את עוצמת הפליטה פי אלף. הישג זה פורסם בכתב העת המדעי Nano Letters.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

19 תגובות

  1. אפשר להתעלם מתגובה 16, היות והיא ילדותית ומטופשת, ולכן לא ראויה להתייחסות.

  2. כלומר גם ה'תורה' שלכם (המדענים) מבוססת על שטויות?

  3. משתמש אנונימי:

    אני יכול רק לשער שצבי התכוון ל "לעולם לא תמדד" כשכתב "לעולם תמדד".

  4. צבי

    קודם כל תודה על ההסבר.
    לא ניסיתי עדיין לחשב את הנתונים שרשמת אבל עדיין לא ברור לי איך הגעת לתוצאה 2.5
    זה ברור שהמשוואה E=hf אינה נותנת את הערך 2.5. כלומר צריך לעשות חישובים של נתונים נוספים (שאותם ציינת) ואכן קיוויתי שתרשום את כל המשוואה שבתוצאתה הנתון 'עוצמת אור' שווה לערך '2.5'.

  5. חישוב מספרי קטן:
    לאור נראה אורך גל שבין 4000 ל-7000 אנגסטרם (אנגסטרם=10-^10 מ').
    כלומר 5-^10*4-7 ס"מ.
    מהירות האור היא 10^10*3 ס"מ לשנייה וכך התדירות (מהירות חלקי אורך גל) היא בערך 15^10 הרץ. נכפיל בקבוע פלנק (27-^10*6.626) ונקבל בערך:
    11-^10 ארג.

    נחשב כמה פוטונים פוגעים בשנייה בס"מ מרובע על פני כדה"א כתוצאה מקרינת השמש:
    קרינת השמש היא 33^10*3.8 ארג לשנייה.
    מרחקו של כדה"א מהשמש הוא 13^10*1.5 ס"מ כלומר שטחה של המעטפת במרחק בו נמצא כדה"א היא כ-27^10*2.83 כלומר משהו 6^10*1.35 ארג לשניה לכל ס"מ מרובע – דהיינו:
    בכל שניה פוגעים בס"מ מרובע על פני כדה"א כמו 17^10 פוטונים מקרינת השמש.

    זהו רק סדר גודל – כאשר קירוב עיקרי היה ההנחה כי כל הפוטונים מהשמש באותו צבע – למעשה התוצאה צריכה להיות גבוהה יותר כי הנחתי פוטון יחסית אנרגטי – אם זאת זה נותן איזושהי הבנה.

  6. כן:

    כמות האנגיה שבפוטון בודד מקיימת E=hf כאשר f היא תדירות הפוטון ו-h הוא קבוע פלאנק.

  7. צבי

    "..שעוצמתה של קרן אור נמדדת תמיד תהיה מספר שלם כפול עוצמתו של פוטון בודד (אם עוצמת כל פוטון היא 1 – לעולם תמדד עוצמת אור 2.5)."
    בבקשה אתה יכול לתרגם את זה למשוואה מתמטית?

  8. 1. לנקודה (תגובה 6): ההערה שלך היא שחצנית, ולא במקומה. ראה את תגובה מספר 7, מאת צבי.
    2. לצבי (תגובה 7):כל הכבוד על ההסבר הפשוט והממצה!

  9. רפאל,

    באופן כללי אור נפלט בצורת חלקיקים הקרויים פוטונים – בין היתר אחת המשמעויות הן שעוצמתה של קרן אור נמדדת תמיד תהיה מספר שלם כפול עוצמתו של פוטון בודד (אם עוצמת כל פוטון היא 1 – לעולם תמדד עוצמת אור 2.5).
    עוצמתו של פוטון בודד תלויה בתדירות – ומבחינתנו "בצבע" של הפוטון.

    למה אנחנו לא יודעים את זה מחיי היום יום?
    לרוב מספר הפוטונים להם אנחנו נחשפים ביום יום הוא עצום – ולכן איננו מבחינים בדיסקרטיזציה הזו – בדיוק כמו שביום יום איננו מרגישים שהחומר עשוי מאטומים בגלל שאיננו יכולים לראות בעיננו מספר קטן של אטומים.

    בניסויים במעבדה אפשר להשיג מספרים נמוכים יחסית של פוטונים – אך לרוב (וזה אני אומר לך על סמך המאמר הזה ולא על סמך ידע מוקדם כלשהו) הדרך להפיק אותם הייתה מגז (אני מנחש שע"י הפעלת שדה חשמלי על גז וגרימה לעירורים אטומייים או דברים מסוג זה – לא כל כך רלוונטי בשלב זה).
    כעת הם הצליחו בדרך כלשהי לגרום למוצק לפלוט שני פוטונים בלבד וכנראה שזה משמעותי מכל מיני סיבות טכנולוגיות.

    לבסוף הוצעו מספר אופציות מעשיות לדברים בהם עשוי הגילוי להועיל:
    שימושים רפואיים (חישה מרחוק) – כנראה כיוון שהאור הנפלט בצורה כזו נשלט הרבה יותר וכךך אפשר לקבל ממנו אינפורמציה עדינה הרבה יותר.
    מחשבים קוונטיים – נושא זה מסובך אבל באופן כללי הרעיון הוא שכאשר יורדים לרזולוציות של פוטונים בודדים (או חקיקים קטנים כלשהם) – העולם אינו מתנהג כפי שאנחנו מכירים אותו, בין היתר החלקיקים אינם נמצאים במצבים מוגדרים מבחינת כל הפרמטרים הפיזיקליים שלהם (אין להם נניח תנע מוגדר ומיקום מוגדר), אפשר לנצל אי וודאויות אלו לצרכים חישוביים והניבויים התיאורטיים צופים כי בעזרת זה, אפשר יהיה לבנות מחשבים חזקים בצורה מהותית ולא רק איכותית מהמחשבים הקיימים כיום. הבעיה היא כי קיים קושי טכנולוגי ליצור מחשבים כאלו וכותבי המחקר מנבאים כי מחקרם יכול אולי לסייע בפתרון קשיים טכנולוגיים אלו.

  10. חכה חכה דודי יקח זמן עד שזה יהיה ישים.

    וסביר להניח שכטכנאי שום דבר לא ישתנה כרטיסים יהיו כרטיסים.

  11. מעגלים מודפסים שבהם רכיבי אלקטרוניקה מתקשרים באמצעות אור ולא חשמל נתיב אופטי ולא נתיב נחושת?והאם תהיה השפעה באופן התיקון או התקנת חומרות וציוד ברמת הטכנאי או שזה יותר ברמת המחקר ופיתוח?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן