השליטה באור מאפשרת רבות מהטכנולוגיות שסביבנו - ממצלמות וחיישנים ועד מערכות תקשורת ומחשוב מתקדם. אלא שבזמן שהאור נע במהירות עצומה, הרכיבים שמכוונים ומעצבים אותו פועלים בדרך כלל הרבה יותר לאט.
מחקר בינלאומי חדש, שבו השתתף חוקר מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב, מציג דרך חדשה להתגבר על המגבלה הזאת. החוקרים הצליחו להסיט ולעצב קרני אור בתוך 74 פמטו-שניות בלבד, כלומר פחות מעשירית מטריליונית השנייה. לדברי החוקרים, בזמן קצר כל כך, האור עצמו עובר מרחק קטן מעובייה של שערת אדם.
גלריה
מטא-משטח שפותח במחקר מאפשר להסיט ולעצב קרני אור בתוך פחות מטריליונית השנייה
(אילוסטרציה: קלאודיו הייל)
המחקר נערך בהובלת ד"ר קלאודיו הייל, כיום חבר סגל באוניברסיטת קליפורניה בברקלי ובהשתתפות ד"ר ליאור מיכאלי, אז פוסט דוקטורנט במכון הטכנלוגי של קליפורניה (Caltech) וכיום ראש המעבדה למטא-אופטומכניקה בבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב. שני החוקרים היו שותפים בקבוצת המחקר של פרופ' הארי אטווטר מ-Caltech שאף הנחה את המחקר. המחקר פורסם בכתב העת Nature Nanotechnology.
בלב הפיתוח נמצא מטא־משטח - שכבה דקיקה המכוסה במבני סיליקון זעירים, שכל אחד מהם קטן מאורך הגל של האור. למרות מידותיו הזעירות, המבנה המיוחד של המשטח מאפשר לו להשפיע בעוצמה על האור שעובר דרכו.
כאשר מאירים את המשטח בפולס לייזר קצר, האור משנה לרגע את תכונות הסיליקון. כך אפשר לשלוט בקרן העוברת דרך המשטח בלי להזיז מראה, עדשה או כל חלק מכני אחר. בניסויים הצליחו החוקרים להסיט את הקרן בזוויות של עד 13 מעלות לכל צד. אבל הם לא הסתפקו רק בשינוי הכיוון: באמצעות שינוי תבנית ההארה על המשטח, הם הצליחו גם לעצב את הקרן וליצור תבניות אור מורכבות.
החוקרים הסבירו כי פעולתו של הרכיב אינה קבועה מראש. אותו משטח יכול לבצע פעולות שונות בהתאם לאופן שבו מאירים אותו. כך מתקבל רכיב אולטרה-דק, ללא חלקים נעים, שמסוגל לשנות את כיוון האור ואת צורתו כמעט בן רגע.
מימין לשמאל: ד"ר קלאודיו הייל, ד"ר ליאור מיכאלי ופרופ' הארי אטווטר
"עבורי, מרגש במיוחד לראות רעיון שליווה אותי במשך שנים הופך למציאות ניסויית", אומר ד"ר מיכאלי. "הקושי הגדול היה שהאפקט המהיר שרצינו לנצל הוא בדרך כלל חלש מאוד. היינו צריכים לתכנן את המטא-משטח, כך שיגביר אותו מספיק כדי שנוכל לא רק למדוד אותו, אלא ממש להשתמש בו כדי לכוון ולעצב אור".
לדברי החוקרים, מהירות הפעולה שנמדדה הייתה קרובה למשך פולס הלייזר עצמו. המשמעות היא שבעתיד, באמצעות פולסים קצרים יותר, ייתכן שיהיה אפשר לפעול במהירות גבוהה אף יותר.
כיום, במערכות תקשורת ומחשוב רבות, מידע שמועבר באמצעות אור מומר לאות חשמלי לצורך עיבוד, ולאחר מכן מומר בחזרה לאור. היכולת לשלוט באור ישירות ובמהירות כזאת עשויה בעתיד לאפשר לבצע חלק מהעיבוד באמצעות האור עצמו.
ד"ר מיכאלי סיכם: "הפיתוח עשוי לתרום למחשבים אופטיים, למערכות תקשורת מהירות, לחיישנים ולמצלמות שיוכלו לעקוב אחר תהליכים מהירים במיוחד. בטווח הרחוק יותר, הוא עשוי להיות רלוונטי גם לפוטוניקה קוונטית, שבה נדרשת שליטה מהירה ומדויקת באור. המחקר הזה משקף היטב את הכיוון שאנחנו ממשיכים לפתח כיום באוניברסיטת תל אביב. המטרה היא להשתמש במבנים מתוכננים כדי להגביר את האינטראקציה בין אור לחומר ולהפוך אותה לכלי לשליטה, לחישה ולעיבוד מידע."
החוקרים מדגישים כי בשלב זה מדובר במחקר בסיסי ולא במוצר שמוכן לשימוש. עם זאת, העבודה פותחת אפשרויות חדשות לרכיבים שבהם האור אינו רק מעביר את המידע - אלא גם מסייע לעבד אותו.
