מארוול מיקרוסקופי: מכשיר פוטוני שיכול לשנות פיזיקה ולייזרים לנצח

חוקרי המכון הפוליטכני של Rensselaer פיתחו את מכשיר הסימולטור הקוונטי הטופולוגי הראשון במשטר האינטראקציה החזק של אור-חומר הפועל בטמפרטורת החדר, מה שהופך את המחקרים הקוונטים ואת יעילות הלייזר למהפכה, והופך את המחקר המתקדם לנגיש יותר.

חוקרים במכון הפוליטכני רנסלר ייצרו מכשיר שאינו רחב יותר משערת אדם שיעזור לפיזיקאים לחקור את הטבע הבסיסי של החומר והאור. הממצאים שלהם, שפורסמו בכתב העת טבע ננוטכנולוגיהיכול גם לתמוך בפיתוח של לייזרים יעילים יותר, המשמשים בתחומים החל מרפואה ועד ייצור.

המכשיר עשוי מחומר מסוג מיוחד הנקרא מבודד טופולוגי פוטוני. מבודד טופולוגי פוטוני יכול להנחות פוטונים, החלקיקים דמויי הגלים המרכיבים את האור, לממשקים שתוכננו במיוחד בתוך החומר תוך שהוא גם מונע מחלקיקים אלו להתפזר בחומר עצמו.

סימולציה קוונטית ופיתוח לייזר

בגלל תכונה זו, מבודדים טופולוגיים יכולים לגרום לפוטונים רבים לפעול באופן קוהרנטי כמו אחד פוטון. המכשירים יכולים לשמש גם כ"סימולטורים קוונטיים" טופולוגיים, מעבדות זעירות שבהן חוקרים יכולים לחקור את התופעה הקוונטית, החוקים הפיזיקליים השולטים בחומר בקנה מידה קטן מאוד.

"המבודד הטופולוגי הפוטוני שיצרנו הוא ייחודי. זה עובד בטמפרטורת החדר. זוהי התקדמות גדולה. בעבר, אפשר היה לחקור את המשטר הזה רק באמצעות ציוד גדול ויקר שסופר מקרר חומר בוואקום. למעבדות מחקר רבות אין גישה לציוד מסוג זה, כך שהמכשיר שלנו יוכל לאפשר ליותר אנשים להמשיך במחקר פיזיקה בסיסי זה במעבדה", אמר Wei Bao, עוזר פרופסור במחלקה למדע והנדסת חומרים ב-RPI ו מחבר בכיר של ה טֶבַע ננוטכנולוגיה לימוד.

"זהו גם צעד מבטיח קדימה בפיתוח לייזרים שדורשים פחות אנרגיה כדי לפעול, שכן סף המכשיר שלנו בטמפרטורת החדר – כמות האנרגיה הדרושה כדי לגרום לו לעבוד – נמוך פי שבעה ממכשירים בטמפרטורות נמוכות שפותחו בעבר, " הוסיף באו.

טכניקות ייצור ותצפיות

חוקרי RPI יצרו את המכשיר החדש שלהם עם אותה טכנולוגיה המשמשת בתעשיית המוליכים למחצה לייצור שבבים, הכוללת שכבות של סוגים שונים של חומרים, אָטוֹם לפי אטום, מולקולה אחר מולקולה, כדי ליצור מבנה רצוי עם תכונות ספציפיות.

כדי ליצור את המכשיר שלהם, החוקרים גידלו לוחות דקים במיוחד של הליד פרובסקיט, גביש העשוי מצסיום, עופרת וכלור, וחרטו עליו פולימר עם דוגמה. הם הכניסו את לוחות הקריסטל והפולימר בין יריעות מחומרי תחמוצת שונים, ובסופו של דבר יצרו עצם בעובי של כ-2 מיקרון ואורך ורוחב של 100 מיקרון (רוחב שיער אדם ממוצע הוא 100 מיקרון).

כאשר החוקרים האירו אור לייזר על המכשיר, הופיעה תבנית משולשת זוהרת בממשקים שתוכננו בחומר. דפוס זה, המוכתב על ידי עיצוב המכשיר, הוא תוצאה של מאפיין טופולוגי של לייזרים.

מסקנה וצפי עתיד

"היכולת לחקור תופעות קוונטיות בטמפרטורת החדר היא סיכוי מרגש. עבודתו החדשנית של פרופסור באו מראה כיצד הנדסת חומרים יכולה לעזור לנו לענות על כמה מהשאלות הגדולות ביותר של המדע", אמר שחר גארד, דיקן בית הספר להנדסה RPI.

המחקר נתמך בעיקר על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדע והמשרד לחקר הצי.