מדענים מאוניברסיטת רייס (Rice) הציגו לאחרונה שיטה חדשה ואמינה לסידור נאנו-רכיבים מתכתיים בתבניות גיאומטריות, היכולות לשמש מעבדים אופטיים הקולטים אותות אור, משנים אותם ונותנים פלט בצבעים אחרים. פריצת הדרך שהושגה על ידי צוות של פיזיקאים תיאורטיים, פיזיקאים יישומיים ומהנדסים במעבדת הנאנו-פוטוניקה (Nanophotonics) באוניברסיטת רייס (LANP), התפרסמה לאחרונה כחלק ממחקר של האקדמיה הלאומית למדע שבארה"ב.

ערבוב ארבע-גלי
הצוות של אוניברסיטת רייס השתמש בשיטה זו כדי ליצור מכשיר אופטי שבו ניתן לשלוט באור הנקלט באמצעות אור, על ידי תהליך הנקרא "ערבוב ארבע-גלי" (four-wave mixing). תהליכים של ערבוב ארבע-גלי נחקרו בצורה יסודית בעבר, אך השיטה שפותחה באוניברסיטת רייס, המבוססת על תבניות דיסק (disc-patterning), היא השיטה הראשונה שהצליחה להפיק חומרים המותאמים במיוחד לביצוע ערבוב ארבע-גלי במגוון רחב של אותות קלט ופלט בצבעים שונים (colored inputs and outputs).

"הגיוון הוא אחד היתרונות של תהליך זה", אומרת נעמי האלס (Naomi Halas) עורכת משותפת של המחקר, המשמשת מנהלת  LANP, פרופסורית להנדסת מחשבים ואלקטרוניקה ופרופסורית להנדסה ביו-רפואית, כימיה, פיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת רייס. "התהליך מאפשר לנו לערבב צבעים בדרך מאוד כללית. משמעות הדבר, שלא רק שאנו יכולים לשגר שתי קרני אור בצבעים שונים ולקבל בחזרה צבע שלישי, אנו יכולים גם לבצע כיוונון עדין (fine-tuning) של הסידור במטרה ליצור מכשירים המותאמים במיוחד לקלוט או להפיק מנעד רחב של ספקטרום הצבעים".

אינטראקציה בין קרני אור
תהליך עיבוד האינפורמציה המתרחש כיום בתוך מחשבים, סמארטפונים וטאבלטים הוא אלקטרוני. כל אחד ממיליארדי הטרנזיסטורים בתוך שבב המחשב עושה שימוש בקלט אלקטרוני כדי לפעול ולשנות את האותות האלקטרוניים שעוברים דרכו. עיבוד האינפורמציה באמצעות אור, במקום טכניקות אלקטרוניות, עשוי לאפשר פיתוח של מחשבים שיהיו הן מהירים יותר והן חסכוניים יותר באנרגיה; אך הרכבה של מחשב אופטי היא עניין מסובך, בשל חוקי מכאניקת הקוואנטים הפועלים על האור.

"ברוב הנסיבות, קרן אור אחת לא תיצור אינטראקציה עם קרן אור אחרת", אומר פטר נורדלנדר (Peter Nordlander) פיזיקאי תיאורטי ב-LANP שהיה שותף במחקר החדש. "למשל, אם תהבהב בפנס כנגד הקיר ותצליב את אלומת האור עם אלומת אור אחרת מפנס נוסף, זה לא ישנה דבר. האור שבוקע מהפנס הראשון פשוט יעבור דרך האלומה מהפנס הנוסף, בלי להשפיע עליה כלל".

"הדבר שונה כאשר האור עובר דרך 'מדיום לא ליניארי' (nonlinear medium)", הוא אומר. "התכונות האלקטרומגנטיות של המדיום הלא ליניארי גורמות לכך שהאור מקרן אחת משפיע על האור מהקרן השנייה. כך, אם תהבהב בשני פנסים דרך מדיום לא ליניארי, העוצמה של הקרן מהפנס הראשון תפחת באופן פרופורציונאלי לעוצמה של הקרן השנייה".

התבניות של דיסקים מתכתיים שיצרו המדענים ב-LANP עבור המחקר של האקדמיה הלאומית למדעים הן דוגמה למדיה לא ליניאריות. הצוות השתמש בטכניקת ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים כדי לחרוט דיסקים מזהב בצורת דיסקוס, שהונחו על משטח שקוף המשמש לבדיקות אופטיות. הקוטר של כל אחד מהדיסקים הוא בסביבות אלפית מעובי שערה אנושית. כל אחד מהדיסקים עוצב במטרה לרתום (harvest) אנרגיה מתדירות מסוימת של האור; על ידי סידור תריסר דיסקיות בתבנית צפופה, צוות החוקרים הצליח להגביר את התכונות הלא-ליניאריות של המערכת, על ידי יצירת שדה חשמלי עוצמתי.

המכשיר היעיל ביותר

"המערכת שלנו מנצלת אפקט פלאזמוני (plasmonic effect) מסוים הנקרא 'תהודת פאנו' (Fano resonance) כדי להגביר את היעילות של האפקט הלא ליניארי, החלש יחסית, שפועל בבסיס הערבוב הארבע-גלי", מסביר נורדלנדר. "התוצאה היא הגברה של עוצמת הצבע השלישי של האור, אותו מפיק המכשיר".

יו-רונג ז'ן, שותף נוסף למחקר וסטודנט ללימודים מתקדמים, חישב את הסידור המדויק של 12 הדיסקים הדרוש ליצירת שתי "תהודות פאנו" קוהרנטיות בתוך מכשיר אחד, ויו ז'אנג, גם הוא שותף במחקר וסטודנט ללימודים מתקדמים, יצר את המכשיר שמפיק את הערבוב הארבע-גלי, בפעם הראשונה אי פעם שבה חומר מעין זה יוצר.

"המכשיר שז'אנג יצר עבור ערבוב ארבע-גלי הוא המכשיר היעיל ביותר שיוצר אי פעם למטרה זו, אך הערך האמיתי של המחקר גדול בהרבה מעיצוב כלשהו עבור המכשיר הספציפי הזה", מסבירה האלס, שלאחרונה מונתה לחברה באקדמיה הלאומית למדעים בזכות מחקרה פורץ הדרך בתחום הנאנו-פוטוניקה. "השיטות ששימשו לפיתוח המכשיר יכולות לשמש לצורך ייצור של מגוון רחב של מדיה לא-ליניאריות, כל אחת מהן עם תכונות אופטיות המותאמות למטרה ספציפית".