העבודה המחקרית פורסמה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Photonics, אותה הובילו קבוצת חוקרים מהמחלקה לפיסיקה ישומית ומהמרכז לננומדע וננוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית. “פריצת דרך, זה חלום!”, בישרו החוקרים בהתרגשות בעקבות הממצאים
מהפכת הננו-מדע והננוטכנולוגיה משפיעה על חיי היום יום שלנו במגוון תחומים, החל מחומרים חדשים לאנרגיה, דרך עיבוד מידע ותקשורת, מכשור מדויק וכלה בתחומי הרפואה. המזעור של התקנים ורכיבים לממדים של ננומטרים בודדים מביא איתו תופעות קוונטיות שיש להתמודד איתן מחד, ומאידך ניתן לנצל אותן לטובת פריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות. במעבדה של פרופ’ אוריאל לוי מהמחלקה לפיסיקה ישומית ומהמרכז לננומדע וננוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית עוסקים מזה מספר שנים בפיתוח שבבים ננופוטונים למגוון יישומים. לאחרונה הצליחו במעבדה לפתח שבבים בגודל מילימטרים, ובתוכם צורות ננומטריות – מבנים אופטים ממוזערים העשויים מסיליקון, ביחד עם תאים ממוזערים המכילים אדים של אטומי רובידיום. אמנם זה נשמע מורכב, אך השבבים הללו הם העתיד שלנו, והם משמשים אותנו כבר היום כבסיס להתקנים מתקדמים כגון שעונים אטומים, חיישני שדה מגנטי, מכשירים לייצוב תדר ועוד.
קושי מרכזי במימוש הטכנולוגיה ובשילובה בצורה מקסימלית בחיי היומיום נעוץ בעובדה שמדובר במכשירים גדולים ומסובכים, המיוצרים בצורה ידנית ובעלויות גבוהות יחסית, צורכים לא מעט הספק, תופסים נפח משמעותי, וקשה לעשות להם אינטגרציה עם מעגלים אלקטרונים מתקדמים על שבב. כאן נכנסה לפעולה המעבדה לננו-פוטוניקה באוניברסיטה העברית. “המעבדה השיגה פריצת דרך חסרת תקדים בעזרת תכנון ויצור של שבב היברידי המכיל מעגלים ננופוטונים, המשלבים בתוכם את אותם אטומי רובידיום”, אומר פרופ’ לוי. “בעזרת פריצת דרך זו חקרה המעבדה את הפיסיקה של השבבים והדגימה את הפוטנציאל שלהם במגוון יישומים”.
אך לא הכל היה ורוד. הסתבר שהמזעור אומנם חשוב מאוד על מנת להקטין נפחים וצריכת הספק, והוא כמובן קריטי להקטנת עלויות ושילוב עם אלקטרוניקה, אך עצם המזעור פוגע בדיוק של המכשיר. “האטומים נעים במהירות רבה, חולפים מהר על פני קרן האור הממוזערת בתוך השבב האופטי, מתנגשים באופן תכוף בקירות התא וכך נגרמת סטייה בתדר העבודה, סטייה המקטינה בצורה משמעותית את דיוק ההתקן”, הסביר החוקר את הפן המדעי של הפגיעה. נדרשה פריצת דרך נוספת, שאכן הגיעה.
פריצת הדרך הנוכחית מאפשרת מצד אחד שמירה על עקרונות המזעור והאינטגרציה על השבב, ומצד שני קבלת דיוק מירבי, המתקרב לזה המתקבל בתאים גדולים יותר. “החידוש העיקרי מבוסס על תכנון וייצור של מוליכי גל אופטיים ננומטרים, דמויי חוטים דקיקים בעובי של מספר ננומטרים הממומשים בצורה של ממברנות דקות, ונראים במיקרוסקופ כמו גשרים התלויים באוויר. גודלם של מוליכי גל ננומטרים אלה קטן בהרבה מאורך הגל והם מוקפים באטומי רובידיום מכל הכיוונים. החוטים הללו מנותקים למעשה מהמצע עליו הם יושבים וניתן לתכנן אותם כך שממדי קרן האור הנעה בתוך חוטים אלה מאפשרים את בליעת האור על ידי האטומים, תוך שמירה על דיוק מירבי וביצועים אופטימלים”, מדגיש החוקר.
פריצת דרך זו אפשרה גם לקבוצת המחקר לקבל שבבים ייחודיים, עם ביצועים משופרים, וכן להדגים את חשיבותם במגוון יישומים כגון ייצוב תדר של לייזר ברמה גבוהה ביותר, ואפילו תהליכים לא מורכבים המאפשרים את המרת האינפורמציה מאורך גל (צבע) אחד לאורך גל אחר, תוך שמירה על דיוק אטומי. עבודת המחקר כולה, המתארת את כל ההישגים הללו, התפרסמה בעיתון היוקרתי Nature Photonics, בה לקח חלק משמעותי ד”ר רועי זקצר מהמחלקה לפיסיקה ישומית ומהמרכז לננומדע וננוטכנולוגיה.
ומה צופן העתיד? ישנם עדיין אתגרים רבים. בקבוצת הננופוטוניקה ממשיכים לפתח ולשכלל את השבבים, מתוך מטרה להמשיך ולמזער אותם, ולבצע אינטגרציה עם רכיבים נוספים במעגל כגון לייזרים וגלאים. כך ניתן יהיה להוזיל עוד יותר את יצור השבבים ולהפוך אותם לאטרקטיביים עוד יותר. בעתיד ייתכן שנראה את הטכנולוגיה הזאת חודרת לתוך הטלפונים הסלולריים שלנו, ומשמשת כהתקן בסיס ברכיבים של “האינטרנט של הדברים” (היכולת של הטלפון החכם שלנו לשלוט על מכשירי חשמל כגון תאורת הבית, מכונות כביסה ועוד), הדורשים צריכת הספק מינימלית ודיוק רב. כמו כן, בשיתוף עם קבוצת מחקר חדשה במחלקה לפיסיקה יישומית בהובלתו של ד”ר לירון שטרן, שהיה שותף חשוב לפיתוח המקורי של הטכנולוגיה, החוקרים מאמינים כי שבבים אלה יוכלו להשתלב במערכות מדידה וחישה מדויקות, המתאימות לניידים שלנו, המבוססות על טכנולוגיה חדשנית של “מסרקי תדר על שבב”.
יתר על כן, ואולי חשוב מכך, החוקרים מאמינים כי לאחר שנים רבות בלי קפיצת דור משמעותית במיוחד ונגלית לעין במכשירים הסלולריים, יישום הטכנולוגיה שפיתחו עשוי להוביל לזינוק הטכנולוגי המיוחל. “בטלפון הסלולרי שלנו יש חיישנים רבים. עצם העובדה שהשבבים שלנו קטנים, זולים וממוזערים יותר, אמורה לאפשר את האינטגרציה שלהם למכשירים כגון הטלפון הסלולרי. השבבים הללו מסוגלים לשמש כחיישנים של זמן, תדר, שדות חשמליים, שדות מגנטיים, מידות וכדומה. לכן, אם נכניס אותם בסופו של דבר לטלפון, נוכל לממש פונקציות ניווט ללא צורך ב-GPS רלוונטי במקומות ללא קליטה, ליצור הולוגרמות של פרצופים או של מספרים ואותיות להקלדה כמו שרואים בסרטים העתידניים, יתאפשר למדוד גלי מוח והטלפון אולי גם יוכל לקרוא את המחשבות שלנו (כאשר נשים את הטלפון קרוב לראש), נצליח כנראה למצוא מתכות אבודות מאחורי קירות – כמו מפתחות לרכב שכולם מחפשים על הבוקר (המתכות משפיעות על השדות החשמליים והמגנטים), ועוד דברים יצירתיים שלא חשבנו עליהם עדיין. הכל כמובן ברמת הספקולציה, לצערי עדיין לא משהו שהולך לקרות מחר בבוקר”.
לסיכום אומר פרופ’ לוי כי “השבבים ההיברידים הממוזערים יהיו שבבים אולטימטיביים הניתנים ליצור המוני בעלויות נמוכות, משקל קל, אינטגרציה, צריכת הספק מזערית ודיוקים מעולים על פני תחומי תדר רחבים. המידות הקטנות, ההספק הנמוך והעלויות הנמוכות יעשו את הטכנולוגיה המדוברת למשהו פרקטי. המחקר הזה הוא פשוט הגשמת החלום שלי!”, מסכם פרופ’ לוי.
פרופ’ אוריאל לוי מהאוניברסיטה העברית
צילום: יורם אשהיים, האוניברסיטה העברית
