מהפכה בלכידת אור בנפחים קטנים

ד"ר חנן הרציג שיינפוקס מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן ערך מחקר פורץ דרך בתחום הפוטוניקה הקוונטית, בשיתוף עם פרופ' פרנק קופנס וקבוצת חוקרים אירופאים וישראלים ב-ICFO – המכון למדעי הפוטונים בברצלונה. במחקר, שמהווה קפיצת מדרגה משמעותית בתחום הננו-פוטוניקה הקוונטית, הציגו החוקרים סוג חדש של מהודים (התקנים הכולאים את האור ומונעים ממנו לצאת) פולאריטונים, כל כך זעירים שהם מגדירים מחדש את גבולות האפשר בכליאת אור. פולאריטונים הם תנודות אור וחומר במשולב, ובניגוד לאור רגיל, יכולים לאכלס מהודים הקטנים בהרבה מאורך הגל.

מחקר חלוצי זה, שפורסם ב-Nature Materials, מדגים שיטה חדשנית ללכידת פוטונים (חלקיקי האור הבסיסיים), הגוברת על המגבלות המסורתיות בננו-פוטוניקה, ופותחת שער ליישומים חדשניים בתחומי האופטיקה והאלקטרו-אופטיקה.

ד"ר הרציג שיינפוקס מתכוון להשתמש במהודים הללו כדי לגלות השפעות קוונטיות שבעבר נחשבו בלתי אפשריות, כמו גם להעמיק את ההבנה של התנהגות פולריאטונית.

פיזיקאים מחפשים זה זמן רב דרכים לגרום לפוטונים להתכנס לנפחים קטנים יותר ויותר. סולם האורך הטבעי של הפוטון הוא אורך הגל, וכאשר פוטון מתכווץ לתוך חלל קטן בהרבה מאורך הגל, הוא למעשה הופך ל"מרוכז" יותר.

ריכוז זה משפר את האינטראקציות בין הפוטונים לאלקטרונים, ומחזק את התהליכים הקוונטיים בתוך החלל. עם זאת, למרות הצלחה משמעותית בלכידת האור בנפחים תת-גליים עמוקים, עד כההשפעות הפיזור (בליעה אופטית) נותרו מכשול עיקרי. פוטונים בננו-חללים נספגים מהר מאוד יחסית לאורך הגל, ופיזור זה מגביל את יישומם של ננו-מהודים בחלק מהתחומים הקוונטיים המשמעותיים ביותר.

קבוצת המחקר התמודדה עם אתגר זה על ידי יצירת ננו-מהודים בעלי שילוב חסר תקדים של נפח תת-גלי ואורך חיים ממושך. ננו-מהודים אלה, עם שטח של פחות מ- 100x100nm² ועובי של ³nm בלבד, כולאים את האור למשך זמן ארוך יחסית. המפתח טמון בשימוש בפונון-פולאריטונים היפרבוליים, תופעה אלקטרומגנטיות ייחודית המתרחשת במספר מצומצם מאוד של חומרים דו-ממדיים מתקדמים.

"באופן חריג, מצאנו שהמדידות בניסויים עלו על התחזיות התיאורטיות", אמר ד"ר הרציג שיינפוקס. "ההצלחה המפתיעה הזו פותחת שער ליישומים חדשים ולהתקדמות בתחום הפוטוניקה הקוונטית, כמו גם לניסויים שעד כה לא היה ניתן לדמיין".

לתוכניות הלימוד במחלקה לפיזיקה