חוקרים הדגימו כיצד לתמרן אור בקנה מידה ננומטרי באמצעות גבישים פוטוניים, המדמים את ההשפעות של שדות מגנטיים על אלקטרונים. פריצת דרך זו במניפולציה של פוטון יכולה להשפיע באופן משמעותי על התפתחות שבבים ננופוטוניים, ולשפר מכשירים כמו לייזרים ומקורות אור קוונטיים. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרי AMOLF, בשיתוף עם אוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה, הצליחו לעצור את גלי האור על ידי עיוות הגביש הפוטוני הדו-ממדי שמכיל אותם. החוקרים הראו שאפילו דפורמציה עדינה יכולה להשפיע באופן מהותי על פוטונים בגביש. זה דומה להשפעה שיש לשדה מגנטי על אלקטרונים.
"עיקרון זה מציע גישה חדשה להאטת שדות אור ובכך לשפר את כוחם. מימוש זה בשבב חשוב במיוחד עבור יישומים רבים", אומר מנהיג קבוצת AMOLF, Ewold Verhagen. החוקרים פרסמו את ממצאיהם בכתב העת המדעי טבע פוטוניקה ב-23 באפריל. במקביל, צוות מחקר מאוניברסיטת פנסילבניה סטייט פרסם מאמר בכתב העת הזה על האופן שבו הם הוכיחו – ללא תלות בצוות ההולנדי – השפעה זהה.
מניפולציה של זרימת האור בחומר בקנה מידה קטן מועילה לפיתוח שבבים ננופוטוניים. עבור אלקטרונים ניתן לממש מניפולציה כזו באמצעות שדות מגנטיים; כוח לורנץ מנהל את תנועת האלקטרונים. עם זאת, זה בלתי אפשרי עבור פוטונים מכיוון שאין להם מטען. חוקרים בקבוצת הכוחות הפוטונים ב-AMOLF מחפשים טכניקות וחומרים שיאפשרו להם להפעיל כוחות על פוטונים הדומים להשפעות של שדות מגנטיים.
אלקטרונים
"חיפשנו השראה על האופן שבו אלקטרונים מתנהגים בחומרים. במוליך, אלקטרונים בעיקרון יכולים לנוע בחופשיות, אבל שדה מגנטי חיצוני יכול לעצור זאת. התנועה המעגלית הנגרמת על ידי השדה המגנטי עוצרת את ההולכה וככאלה אלקטרונים יכולים להתקיים בחומר רק אם יש להם אנרגיות מאוד ספציפיות. רמות האנרגיה הללו נקראות רמות לנדאו, והן אופייניות לאלקטרונים בשדה מגנטי", אומר ורהגן.
"אבל, בחומר הדו מימדי גרפן – המורכבת משכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בגביש – רמות לנדאו אלו יכולות להיגרם גם ממנגנון שונה מאשר שדה מגנטי. באופן כללי, גרפן הוא מוליך אלקטרוני טוב, אבל זה משתנה כאשר מערך הגבישים מעוות, למשל על ידי מתיחה שלו כמו אלסטיות. דפורמציה מכנית כזו מפסיקה את ההולכה; החומר הופך למבודד וכתוצאה מכך, האלקטרונים קשורים לרמות לנדאו. מכאן שלדפורמציה של גרפן יש השפעה דומה על אלקטרונים בחומר כמו שדה מגנטי, גם ללא מגנט. שאלנו את עצמנו אם גישה דומה תעבוד גם עבור פוטונים".
תמונת מיקרוסקופיה אלקטרונית של גביש פוטוני. קוטר החורים המשולשים הוא 300 ננומטר. העקמומיות של מערך הגבישים עוצרת את תנועת גלי האור בגביש. קרדיט: AMOLF
קריסטל פוטוני
בשיתוף פעולה עם קובוס קויפרס מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה, הקבוצה של ורהגן אכן הדגימה אפקט דומה עבור אור בגביש פוטוני. "גביש פוטוני מורכב בדרך כלל מתבנית רגילה – דו מימדית – של חורים בשכבת סיליקון. אור יכול לנוע בחופשיות בחומר הזה, בדיוק כמו אלקטרונים בגרפן", אומר הסופר הראשון רנה ברצ'יק שהגן בהצלחה על עבודת הדוקטורט שלו בנושא זה בשנה שעברה. "שבירת הסדירות הזו בדיוק בצורה הנכונה תעוות את המערך וכתוצאה מכך תנעל את הפוטונים. כך אנו יוצרים רמות לנדאו לפוטונים".
ברמות לנדאו גלי האור כבר לא זזים; הם אינם זורמים דרך הגביש אלא עומדים במקום. החוקרים הצליחו להדגים זאת, והראו שלדפורמציה של מערך הגבישים יש השפעה דומה על פוטונים כמו לשדה מגנטי על אלקטרונים.
ורהגן ציין, "על ידי משחק עם דפוס הדפורמציה, אפילו הצלחנו ליצור סוגים שונים של שדות מגנטיים יעילים בחומר אחד. כתוצאה מכך, פוטונים יכולים לנוע דרך חלקים מסוימים של החומר אך לא בחלקים אחרים. לפיכך, התובנות הללו מספקות גם דרכים חדשות לנווט אור על שבב."
ניסויים בו זמנית
עבודתם של ורהגן וצוותו נוצרה בהשראת תחזיות תיאורטיות של חוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה סטייט ו אוניברסיטת קולומביה.
ורהגן נזכר: "כשעשינו את המדידות הראשונות שלנו, במקרה דיברתי עם אחד מחברי המחקר האחר הזה. כשהתברר שחיפשו גם ראיות ניסיוניות להשפעה, החלטנו לא להתחרות בהוצאה ראשונה אלא להגיש את העבודה במקביל להוצאה לאור. בעוד שחלק מהפרטים בגישה היו שונים, שני הצוותים הצליחו לעצור את תנועת גלי האור ולצפות ברמות לנדאו על ידי עיוות של גביש פוטוני דו מימדי.
"זה מקרב יישומים על שבב", אומר Verhagen. "אם נוכל להגביל את האור ב- ננומטרי ותעצור אותו כך, כוחו יתגבר מאוד. ולא רק במקום אחד, אלא על פני כל משטח הקריסטל. ריכוז אור כזה חשוב מאוד במכשירים ננופוטוניים, למשל לפיתוח לייזרים יעילים או מקורות אור קוונטיים".
