מגזין הטכניון | סתיו 2021

https://science.sciencemag.org/content/372/6547/1181 למאמר: 14 פיזיקה קוונטית כ מדווח על הצלחה ראשונה Science תב העת במיפוי תנועת האור בחומר דו-ממדי בזמן אמת. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים עקבו חוקרים בטכניון אחר תנועתו של גל משולב - גל קול וגל אור הנעים בחומר זה כמקשה אחת. הצלחה זו אינה רק הישג מדעי אלא גם פתח לפריצות דרך יישומיות רבות, משום שפולסים קצרים הם אבן הבניין של תקשורת אופטית ושל העברת מידע בעולם המודרני. את המחקר הובילו ד”ר עדו קמינר, ראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע”ש רוברט ורות מגיד, והדוקטורנט יניב קורמן מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש אנדרו וארנה ויטרבי בטכניון. חומרים דו-ממדיים, כלומר מבנים בעובי אטום בודד, הם תגלית חדשה ותחום מחקר צעיר יחסית; רק בשנת פותח חומר כזה לראשונה על ידי הפיזיקאים 2004 אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, לימים חתני פרס ). באמצעות נייר דבק פשוט קילפו 2010( נובל בפיזיקה השניים שכבות דקות מגוש גרפיט עד שהגיעו לשכבה דקיקה המכונה כיום “גרפן”. הם הראו שתכונותיה של שכבה זו - מוליכות, חוזק ועוד - שונות מאוד מתכונותיו של גוש הגרפיט בהיבטים של חוזק ומוליכות חשמלית. במרוצת השנים התבררו גם תכונותיהם האופטיות הייחודיות של הגרפן ושל חומרים דו-ממדיים שונים. מתברר שגלי אור בתדרים מסוימים מנדנדים את אטומי החומר הדו-ממדי באופן שמעורר בו גל קול המשפיע על גל האור. חוקרי הטכניון יצרו בחומר גל “אור-קולי” משולב הנע כמקשה אחת. הדבר נוגד כמובן את האינטואיציה, שכן מהירות האור המוכרת מיליון מטר בשנייה) גבוהה כמעט פי 300- לכולנו (כ מטר בשנייה). ההסבר 340- מיליון ממהירות הקול (כ הוא שאלה הנתונים כשמדובר בתנועה באוויר החופשי, אולם החומר הדו-ממדי מאט את האור ומאיץ את הקול וכך מתאפשרת התנועה המשותפת של שני סוגי הגל. קיומו של הגל המשולב בחומר כבר היה ידוע אולם עד כה לא פוענח דפוס ההתקדמות שלו. כעת כאמור הצליחו חוקרי הטכניון למפות את תנועת הגל המשולב בחומר הדו-ממדי ולעקוב אחר תנועתו מהיווצרותו ועד דעיכתו הסופית. הניסוי כולו נערך באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר סופר-מהיר .) ultrafast TEM ( חוקרי הטכניון שיגרו אל שולי הדגם (המבנה הדו- ממדי) מטחי לייזר (פולסים) שיצרו בחומר את הגלים ההיברידיים. החוקרים גילו כי גלים אלה נעים במהירות הנמוכה כמעט פי אלף ממהירות האור באוויר החופשי (וגבוהה כמעט פי אלף ממהירות הקול באוויר החופשי). אולם זו לא הייתה ההפתעה היחידה. לדברי קורמן, “גילינו שהגל המשולב משנה את מהירותו בחומר באופן ספונטני - מאיץ ומאט. הפתעה נוספת היא שהגל מתפצל לשני פולסים שונים הנעים במהירויות שונות.” אף שמדובר במדע טהור, החוקרים מעריכים כי יהיו לו יישומים מחקריים ואחרים. לדברי ד”ר קמינר, “בשלב הראשון נוכל להשתמש במערכת כדי לחקור תופעות פיזיקליות שונות שאינן נגישות בדרך אחרת. אנו מתכננים ניסויים שקשורים במדידת מערבולות של אור, ניסויים בתורת הכאוס ואפילו ניסיונות לתכנון יחידות חישוב קוונטיות חדשות. מבחינה הנדסית, הממצאים שלנו עשויים לאפשר ייצור של סיבים אופטיים בעובי אטומי, שימוקמו ממש בתוך מעגלים חשמליים וכך יעבירו מידע בלי לחמם את המעגל - משימה הנתקלת כיום באתגרים רבים בשל מזעורם של התקנים אלקטרוניים ואחרים.” ד”ר עדו קמינר הוא חבר סגל בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי וחבר במכון ) ובמרכז RBNI לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי ( הקוונטום ע”ש הלן דילר. במחקר השתתפו גם רפאל דהאן, ד”ר קנגפנג וואנג, מיכאל ינאי, יובל אדיב של ד”ר קמינר AdQuanta ואורי ריינהרדט ממעבדת וחוקרים מאוניברסיטאות בארצות הברית, בספרד ובצרפת. המחקר התבסס על שיתוף פעולה חדש עם קבוצות מחקר מובילות בארצות הברית (פרופ’ ג’יימס אדגר מאוניברסיטת קנזס, צרפת (פרופ’ מתיו קוסיאק מאוניברסיטת פריז-סקליי, וספרד (פרופ’ פרנק קופנס והפוסט-דוקטורנט ד”ר חנן הרציג שיינפוקס, ICREA, ICFO ).‎ האור-קולי המופע פרופ’ עדו קמינר יניב קורמן