חוקרים מאוניברסיטת תל אביב ורפאל הצליחו לראשונה למדוד מבנה מחזורי של לולאות מוליכות בצורת קשרים טופולוגיים – פיתוח שעשוי לחולל מהפכה באופטיקה, תקשורת ומחשוב
היכולת לתכנן ולשלוט באופן מדויק בהתפשטות, בשבירה ובקיטוב של גלי אור ורדיו מהווה אבן יסוד ביכולתנו לשדר ולקלוט אותות, ולרכוש מידע מהסביבה. מטא-משטחים דקים המאפשרים שליטה זו מהווים נדבך חשוב בפיתוח של טכנולוגיות חדשניות כמו אנטנות קומפקטיות, חיישנים מתקדמים ועדשות שטוחות. בעתיד, מטא-משטחים צפויים להוביל למהפכות בתחומים כמו תקשורת מהירה (5G, 6G), מכשור רפואי, הסוואה אקטיבית ומחשוב אופטי בזכות גמישותם ויכולתם להשתלב במערכות מורכבות תוך חיסכון במקום ובאנרגיה.
מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב ורפאל מציג גישה חדשנית לבנייה ותכנון של משטחים ייחודיים בהם יש קשר הדוק בין הזרמים החשמליים והמגנטיים הנוצרים במבנה. במסגרת המחקר החוקרים מצליחים למעשה ליצור בפעם הראשונה מבנה מחזורי המבוסס על חוטים בצורת קשרים (knots) טופולוגיים וגם למדוד אותו, ובכך לאשר את התחזיות התאורטיות לגבי התנהגותם של מבנים אלו.
החוקרים מסבירים כי החשיבות של המחקר היא בכך שהוא מבסס קשר בין תכונות פשוטות של המבנה (תכונות טופולוגיות) והתגובה הצפויה לגלים אלקטרומגנטיים הפוגעים במבנה ומאפשר לקבל עקרונות תכנון פשוטים שכמעט ולא מצריכים חישובים מורכבים.
המחקר נערך בהובלת נדב גושן, תלמיד מחקר מאוניברסיטת תל אביב בהנחייתו של ד"ר ירדן מזור מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב. המחקר מומן בחלקו מקרן מחקרי שת"פ אקדמי של אגף המחקר והפיתוח ברפאל. ממצאי המחקר התפרסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science Advances.
במאמר, מסביר צוות החוקרים כי מטא-משטחים הם מבנים דו-ממדיים או תלת-ממדיים המורכבים ממערך מחזורי של תאי יחידה קטנים מאורך הגל. במקרה שלנו תאי היחידה (החוזרים באופן מחזורי, דו-ממדי), מורכבים מלולאות חוטים היוצרות חלקיקים קטנים בצורה של toroidal knots (תרשים, משמאל), כלומר חוטים המוגדרים על פני השטח של טבעת דמיונית, ו"מתלפפים" סביבה מספר פעמים.
לחלקיקים אלו יש מבנה כיראלי – הם לא זהים לתמונת הראי שלהם (כמו כפות ידינו). מבנה מיוחד זה מאפשר לחבר בין התגובה החשמלית והתגובה המגנטית של כל חלקיק, וכך משפיע גם על ההתנהגות הכוללת של המטא-משטח (תרשים, מימין. משטח שיוצר באמצעות טכנולוגיית הדפסה משולבת של חברת NanoDimension).
ד"ר מזור: בכדי להדגים את ביצועי המטא-משטח, בחרנו חוט מסוים ממשפחת ה-knots (החוט שבתרשים משמאל, מכונה Trefoil) שאותו ייצרנו באמצעות הדפסת תלת-ממד המשלבת בין מתכת מוליכה חשמלית (כסף) עבור החוט עצמו, וחומר פלסטי מבודד המאפשר חוזק מכני ומאגד את המבנה המחזורי. במטא-משטח מבוסס ה-Trefoil, הראינו כי מתאפשרת רמה גבוהה של שליטה בתכונות הקיטוב של הגל המועבר מן המשטח כפונקציה של התדר, תוך מניעה כמעט מוחלטת של החזרת הגלים הפוגעים. שליטה זו הודגמה באמצעות מדידה והשוואה לסימולציה נומרית. בנוסף, הצגנו גרסה "שטוחה" בטכנולוגיית ייצור של מעגל מודפס (PCB) של חלקיק בעל מאפיינים טופולוגיים זהים, והראנו כי האפקט הבסיסי נשמר, על אף שינוי הגאומטריה הספציפית, עובדה שמבססת את תכונות החלקיק כנגזרות מהמאפיינים הטופולוגיים שלו למרות הפישוט הגאומטרי.
ד"ר יהודית הוכרמן- פרומר סמנכ"לית בכירה למו"פ ברפאל: "שיתוף הפעולה ההדוק בין האקדמיה לתעשייה הוא חיוני להובלת חדשנות אמיתית ועליונות טכנולוגית. ברפאל, אנו רואים ערך רב בחיבור עמוק עם מוסדות המחקר- לא רק כהפריה הדדית, אלא כבסיס לצמיחה של רעיונות פורצי דרך והפיכתם לפתרונות יישומיים בשטח. שיתוף הפעולה ארוך השנים עם אוניברסיטת תל אביב הוא דוגמה מצויינת לכך- שילוב של מצויינות מחקרית עם אתגרי העולם המבצעי, המאפשר לנו לבנות היום את טכנולוגיות הביטחון של המחר"
לסיכום, החוקרים מציינים כי אחת התרומות המרכזית של המחקר היא קבלת מבנה חד-שכבתי המיישם את הצימוד החשמלי-מגנטי (במקום מבנים רב-שכבתיים, כפי שנהוג בדרך כלל לממש צימוד זה) ובאמצעות כללי תכנון פשוטים המבוססים על תכונות החלקיק. ממצאים אלו פותחים פתח ליישומים מתקדמים בעולם האופטיקה, הקוונטים ותקשורת גלים-מילימטרים.
עוד בנושא באתר הידען:
