מדוע גלי אור שעוברים דרך חומר שונים מגלי אור שעוברים דרך ריק? ואיך נוצרים גלים היברידיים של אור וקול? בעקבות הצילום הראשון של גל היברידי, המשלב גל אור וגל קול בחומר דו ממדי, שבוצע במסגרת ניסוי שערכנו בטכניון, ננסה להסביר את העקרונות המובילים להיווצרות של גל כזה.

מאת עידו קמינר, חבר צוות העמותה, ויניב קורמן, ידיד העמותה

אור הוא כינוי לגל אלקטרו־מגנטי המתקדם במרחב: שדה חשמלי ושדה מגנטי שנעים יחד [ראו גיף]. השדות הם בעלי צורה מחזורית (עם ערכים חיוביים ושליליים) בזמן ובמרחב. העיקרון שקול לנדנדה: אנרגיית הכבידה של הנדנדה, כאשר היא נמצאת בשיא הגובה, מתחלפת בתנועה מהירה כשהנדנדה בתחתית, וחוזר חלילה. בריק, הגל האלקטרו־מגנטי מתקדם במהירות האור, שהיא הגבול העליון המוכר לנו מתורת היחסות (c המפורסם מהמשוואה E=mc^2). בתוך חומרים, לעומת זאת, הגל מתקדם במהירות אטית יותר. היחס שבין מהירות האור בריק למהירות האור בחומר נקרא "מקדם השבירה של החומר".

כיצד נוצר מקדם השבירה ומה קובע אותו? כל חומר מורכב מחלקיקים טעונים רבים שיכולים ליצור שדה חשמלי – אלקטרונים וגרעיני אטומים. כל גל אור שמתקדם בתוך חומר מורכב למעשה מסכום של שני גלים בעלי מקורות שונים: מגל אור "נקי" כפי שהיה מתקדם בריק, ומגל נוסף, הנוצר מתזוזות קטנות של האלקטרונים וגרעיני האטומים בחומר. כלומר, תגובת החומר יוצרת תיקון לגל האור בריק, שמתבטא בהאטת המהירות. בחומרים רגילים, תכונות הגל – כמו למשל כיוון ההתקדמות שלו – אינן משפיעות על התזוזות הקטנות ועל מקדם השבירה. לעומת זאת, בחומרים דו ממדיים יכולות התזוזות הקטנות להוביל לתוצאות יוצאות דופן.

"חומר דו ממדי" (גרפן למשל [1]) הוא יריעה העשויה משכבה בעובי של אטום בודד, היכולה להשתרע על פני עשרות מיקרונים. בגלל השוני הגדול בין עובי החומר לשטח הפנים שלו, ישנה השפעה מהותית של החומר הדו ממדי על התקדמות הגל. יתרה מזאת: התגובה לשדה החשמלי יכולה לגבור בעוצמתה על השדה הקיים בריק! מה המשמעות? שלא ניתן להתייחס לתגובת החומר בתור תנועות קטנות של מטענים שיוצרות תיקון לתכונות האור המתקדם בריק; כאן גל האור "שכח" כמעט לגמרי מתכונותיו בריק, ועכשיו הוא תלוי רק בתנועות המטענים. כתוצאה מכך, האור כלוא בתוך החומר הדו ממדי וראוי לשם חדש - פולריטון. לכל חומר דו ממדי יש מטענים שונים, שזזים על מנת לאפשר היווצרות של פולריטון. (ראו תמונה הלקוחה ממאמר [2]).  

בניסוי שלנו השתמשנו בחומר דו ממדי בשם hexagonal boron nitride, המורכב מאטומים של שני חומרים, בורון וחנקן: אטום אחד טעון במטען חיובי ואטום אחר במטען שלילי. מה שגורם לחומר הדו ממדי הזה להגיב בצורה יוצאת דופן לאור הוא גל הקול שהאטומים יוצרים כשהם זזים.  

בקצרה, גלי קול תלויים בתנודות מכאניות. כאשר אנו מדברים, מיתרי הקול בגרוננו מרעידים את חלקיקי האוויר שליד המיתרים. חלקיקים אלה מרעידים את החלקיקים שבסביבתם וכך הלאה, עד שהקול מגיע לאוזן שלנו. כל חלקיק זז מעט, אבל כל מה שהוא צריך זה להרעיד את השכן שלו כדי שגל הקול יתקדם. כמו באוויר, כך גם בתוך חומרים - גרעין אטום שזז משקשק את שכניו, שמשקשקים את שכניהם ויוצרים גל קול. גל קול בתוך חומר נקרא "פונון" (ראו ציור).

לקוח מעמוד הוויקי של פונון - האטומים בתוך החומרים יכולים לזוז וליצור גל עם תכונות של גל קול - כל אטום מזיז את שכניו והמרחק בין האטומים מתכווץ ומתרחב.

בחזרה לניסוי שלנו. דיברנו על חומר דו ממדי, שמגיב חזק כל כך לאור בריק עד שהוא יוצר גל אור מיוחד בשם פולריטון. במקרה שלנו, הפולריטון קיים בזכות תנועת גרעיני האטומים בתוך החומר שהם בעצם גל קול. כך קיבלנו גל היברידי לחלוטין של אור וקול (הנקרא פונון־פולריטון), המתקדם ממש בתוך החומר הדו ממדי.

בשנים האחרונות בוצעו כמה ניסויים, שמראים איך גל אור־קול בחומר דו ממדי מאפשר צילום ברזולוציה יוצאת דופן [3] והתקדמות של גלים ללא שבירה [4]. בניסוי שערכנו [5], הארנו עם פּוּלְס לייזר על היריעה הדו ממדית, העשויה כאמור מאטומים של בורון וחנקן, והצלחנו לעורר פרץ של גל אור־קול היברידי [ראו גיף של המדידה בדו ממד ובתלת ממד] ולמדוד את הדינמיקה שלו (על שיטת המדידה ננסה להקדיש פוסט נפרד).

תוצאות המדידה היו מרתקות: מפני שהגל תלוי בתזוזות ממשיות של אטומים, הוא מתקדם הרבה יותר לאט ממהירות האור בריק. המהירות שמדדנו הייתה אטית עד פי 850 ממהירות האור בריק. תיאורטית, המהירות יכולה אף לשאוף לאפס. זאת אמנם מדידה יוצאת דופן, אך התגלית המפתיעה באמת הייתה שהפרץ משנה את המהירות שלו תוך כדי התקדמות, ושהוא יכול להתפצל לשניים! [ראו גיף של מדידת הגל המתפצל] מתברר שתדר הגל משפיע מאוד על התנועות המכאניות של האטומים בגל הקול ועל מהירותו של הגל. בכל אחת מהמדידות יצרנו גל המורכב מהרבה תדרים שונים (ראו איור).

לסיכום, כל גל שזז בתוך חומר הוא היברידיזציה של גל אור בריק, עם גל הנובע מתנועת המטענים הקיימים בתוך החומר. אבל יש חומרים מיוחדים שבהם התגובה של החומר הופכת לדומיננטית, כמו גלי קול בחומר דו ממדי שיוצרים גל אור־קול. בשלב הראשון אנחנו מתכננים לנצל את ההבנה של הגל ההיברידי כדי להראות תופעות פיזיקליות ייחודיות, כמו ניסויים הכוללים מערבולות של אור ואור כאוטי, או ניסיונות ליצור יחידות חישוב קוונטיות חדשות. בטווח היותר רחוק, ייתכן שיצליחו להנדס את הגלים שמדדנו כדי להעביר מידע בצורה אופטית על שבבים - בניגוד להעברת מידע בעזרת אלקטרונים, המחממים בצורה משמעותית את השבבים.

------------

יניב קורמן הוא דוקטורנט בפקולטה להנדסת חשמל בטכניון החוקר היבטים שונים של אור שכלוא בחומרים בעובי אטומי. הוביל את המחקר.

עיצוב: אוהד זוהר ויניב קורמן - מעבדת AdQuanta

עריכה: ינון קחטן

 מקורות והרחבות:

[1] גרפן

[2] פולארטונים בחומרי ואן דר ואלס

Basov, D. N., Fogler, M. M. & García de Abajo, F. J. Polaritons in van der Waals materials. Science 354, aag1992 (2016).

[3] מדידה ניסיונית של זוגות פונון ופולאריטון

Li, P. et al. Hyperbolic phonon-polaritons in boron nitride for near-field optical imaging and focusing. Nat. Commun. 6, 7507 (2015).

[4] מדידה של פולאריטונים טופולוגיים

Hu, G. W. et al. Observation of topological polaritons and photonic magic angles in twisted van der Waals bi-layers. Nature 582, 209−213 (2020).

[5] דימות של חבילות פולאריטונים דו ממדיות

 Kurman, Y. et al. Spatiotemporal imaging of 2D polariton wave packet dynamics using free electrons. Science 372, 1181-1186 (2021).