מגזין הטכניון | אביב 2018

15 ארקדי פאירמן, איגור יולביץ’ והחוקר ד’’ר ולדימיר קליינר. המפץ הפוטוני הודגם בעזרת מטא-משטחים ננומטריים המבוססים על אנטנות זעירות מסיליקון (ננואנטנות). “באמצעות ננואנטנות שייצרנו במעבדה בטכנולוגיית סיליקון פיתחנו דרך לשליטה באי הסדר במערכת - בהגדלת האנטרופיה,” מסביר פרופ’ חסמן. האור מורכב מפוטונים, חלקיקים ללא מסה שנעים במהירות האור. כל פוטון מתנהג כמו סביבון המסתחרר עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון (במינוח המדעי: ספין חיובי או ספין שלילי). כאשר עוברים ממצב מסודר למצב של אי סדר קטן, כלומר משנים מעט את הזווית של הננואנטנות, מתרחש “ספין-הול פוטוני”, פיצול מרחבי של הפוטונים בעלי ספינים הפוכים. פוטונים בעלי סחרור חיובי נעים לכיוון מסוים, ובעלי הסחרור השלילי נעים לכיוון המנוגד. זהו פיצול קטן מאוד בסקלת הננומטר ולכן השתמשו החוקרים ברעיון של פרופ’ יקיר אהרונוב מאוניברסיטת תל אביב, הנקרא מדידה קוונטית חלשה, כדי למדוד הפרדה ננומטרית בין שני מצבי ספין של חלקיקי האור. עם הגברת אי-הסדר וכאשר המערכת מגיעה לנקודה קריטית שיש בה אי סדר מוחלט, מתרחש מפץ גדול בננואופטיקה, דהיינו פיזור של הפוטונים בעלי ספינים הפוכים לכל הכיוונים (במינוח המדעי: ”אפקט רשבא הרנדומלי”). אי-הסדר במערכת מתבטא ביצירת מערבולות אופטיות הקרויות פגמים טופולוגיים. מערבולות אופטיות נוצרו מאינטראקציה בין מסלול הפוטון (חלקיק האור) לספין שלו. “במדידה שלנו התגלתה תופעה ייחודית מאוד - גידול מרחבי דרמטי במספר המערבולות האופטיות ויצירת דחייה בין המערבולות כתוצאה מאי-הסדר.” לדברי פרופ’ חסמן, “התגלית היא פריצת דרך מדעית עולמית שתספק השראה להבנת אי סדר במצב מוצק ולפיתוח תחום הספינטרוניקה. בנוסף היא פותחת אפשרויות לתכנון חומרים פוטוניים תוך בקרה על דרגת האי-סדר שלהם.” פרופ’ חסמן מציין בגאווה את ההישגים הגדולים של קבוצתו “בארבע השנים האחרונות פרסמנו כל שנה מאמר . הישגים אילו הקנו לאלחנן Science פורץ דרך בכתב העת מגיד את פרס וולף היוקרתי לדוקטורנטים מצטיינים . קבוצת המחקר שלי הניחה את היסודות בשנת 2017- ב photonic לתחום המטא-משטחים האופטיים - 2001 , שכיום נחשב לאחד nanoscale metasurfaces התחומים החמים ביותר באופטיקה, ומעבדות מחקר רבות בעולם עוסקות בו.” ) והרכיבים ISF המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע ( .) MNFU מומשו במרכז לננואלקטרוניקה ע”ש זיסאפל ( בתמונה מודגם המעבר ההדרגתי ממערך אנטנות מסודר (בקדמת התמונה) למערך המאופיין באי-סדר. אי סדר חלש (בקדמת התמונה) יוצר הפרדה חלשה בין פוטונים עם ספין הפוך (אדום וכחול) – תופעה הקרויה “אפקט ספין-הול פוטוני”. רק באי-סדר מוחלט (בעומק התמונה) מתרחש “המפץ הפוטוני” – פוטונים בספינים הפוכים מתפצלים וממלאים את כל המרחב. זהו “אפקט רשבא הפוטוני”