לראות מבלי להראות

לראות מבלי להראות

cloaking הסוואה מכאן

אנחנו יודעים שאי אפשר להשתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לראות עצמים שהם קטנים יותר מאורך גל האור. וזוהי הגבלה רצינית שהובילה לפיתוח מיקרוסקופ האלקטרונים ומיני המיקרוסקופים החדשים האחרים. אולם נניח שנצליח להעיר את גל האור דרך נקב זעיר ביותר. נבנה סיב אופטי, תוך שנצפה אותו באלומיניום שעוביו ילך וירד עד שבקצה שלו יהיה נקב שיאיר דוגמית באמצעות שדה קרוב של מקור אור קטן. ננו-בודק אופטי זה (המחט של המיקרוסקופ) יסרוק את הדוגמית על פני משטח במרחק זעיר של כמה ננו-מטרים. הכל כאמור קורה ברמות גודל זעירות. או אז נוכל לראות בעזרת האור עצמים שהם קטנים מגל האור עצמו. טכניקה זו קרויה מיקרוסקופ אופטי סורק שדה קרוב.

המחט של המיקרוסקופ. תמונה על ידי מיקרוסקופ אופטי  מכאן.

אולם ננו-בודק אופטי זה או החיישן המודד של המיקרוסקופ מפריע בעצם נוכחותו לסביבה ולכמות שאותה הוא מודד. בניסויים רבים מדידות מוגבלות עקב רמת הרעש שמוכנסת למדידה.

אינטואיטיבית, חושבים שאם הננו-בודק האופטי או החיישן הוא בעל יכולת “ראות” גדולה יותר, הוא יכול לקלוט, לחוש ולמדוד בקלות יותר את הנתונים הנדונים. אבל כאמור נוכחותו יכולה להפריע להליך המדידה והמחיר הוא שניתן לחוש אותו חזק יותר בסביבתו.

נשאלת השאלה האם ניתן להתגבר על מוגבלות אינהרנטית ובעיית מדידה זו. האם ניתן לתכנן חיישן שהוא בעקרון “בלתי נראה” לחלל הסובב אותו, אבל עדיין מסוגל “לראות” ביעילות ולבצע את המדידה?

כדי לפתור בעיה זו, חוקרים מהמחלקה להנדסת חשמל ומערכות באוניברסיטת פנסילבניה, אנדראה אלו ונאדר אנגטה פנו לחידושים במדע החומרים. הם הציעו להפוך חיישן לגלימת העלמות. כלומר להסוותו ולעשות לו מה שקרוי הסתרה cloaking. וזאת מבלי להשפיע על יכולתו לקבל, למדוד ולצפות בסיגנל הנכנס. הם ציפו את החיישן בקליפת מטא-חומרים אלקטרומגנטיים ובמבנים פלסמונים – במטא-חומרים פלסמונים. התוצאה שהתקבלה הייתה מערכת חיישן שיכולה לקלוט ולשדר מידע, בעוד שנוכחותה לא יכולה להתגלות על ידי הסביבה ולכן גם לא להפריע לה.

פלסמוניקה.

תעשיית האלקטרוניקה והטלקומוניקציה הולכת וקטנה בגודל הרכיבים המשולבים האלקטרוניים והפוטוניים, עד כי הגיעו לסקאלת אורך של האלקטרון וגלי האור, בהתאמה. אם מדברים באלקטרוניקה, פירושו של דבר שנצטרך לתכנן את הרכיבים שהם קטנים מעשר ננומטר תוך שניקח בחשבון אפקטים קוונטיים. אולם מה לגבי הרכיבים האופטיים המשולבים כמו נתב גלים, שמגיעים ל-גבול העקיפה מסדר גודל של כמה מאות ננומטרים עבור האור הנראה למשל?

העקיפה קובעת את גבול הביצועים העליון שאליו יכולה להגיע מערכת המנתבת גלים. גבול העקיפה קובע שלא ניתן למקד או להגביל קרן אור תלת-ממדית לגודל לטראלי שהוא קטן יותר מבערך חצי מאורך הגל שלה בטווח המארח אותה. כלומר, גבול זה מתנגד ליצירה של נתבי גלים שיכולים להעביר את האור לממד לטראלי שהוא קטן יותר מכמה מאות ננו-מטר עבור האור הנראה למשל. במיקרוסקופיה ובביולוגיה גבול העקיפה מעכב את הגילוי של כמויות אולטרא-קטנות של מולוקלות בריכוזי תאים, כי הוא מגביל את עוצמת הריכוז של עדשות קונבנציונאליות.

אם כן, כדי שנוכל לצמצם את הפער שבין הרכיבים המשולבים המיקרואלקטרוניים לאלה הפוטוניים, וכדי באמת להשיג התקדמות עבור רכיבים ננו-אופטיים, חשבו איך אפשר לשבור את גבול העקיפה כדי ליצור רכיבים אופטיים מיניאטוריים בעלי מהירות ורגישות עצומות, שמתאימים למעגלים ממוזערים על גבי צ’יפ. וכל זאת כדי שיתאימו לתקשורת העתיד ולמחשוב האופטי, כמו גם לישומים ביו-רפואיים וביוטכנולוגיים. שם רכיבים ממוזערים בגודל ננו-מטרי יאפשרו שליטה אדירה בחישה ובדימות. 

המחשבה הגיעה בדמות תיאור שיאחד בין חומרים דאלקטריים ומתכתיים כדי לשבור את גבול העקיפה – וכך נולד תחום חדש בשם “פלסמוניקה” בתחום הננו-אופטיקה.

למה בעצם מתכות מוליכות חשמל טוב? כי האלקטרונים קשורים בצורה רופפת לאטומי המתכת, כך שהם יכולים לנוע בחופשיות במישטח שריג המתכת. עתה אם האור פוגע בממשק שבין המתכת לחומר הדיאלקטרי (הלא מוליך), ואם הוא גם בעל אותה התדירות, הוא יכול בנסיבות מסוימות לרטוט בתהודה יחד עם האלקטרונים שנמצאים במשטח של המתכת וקשורים שם חלש. תנודות האלקטרונים בפני משטח המתכת תואמות את השדה האלקטרומגנטי שמחוץ למתכת. כלומר, כאשר האור פוגע בממשק המתכת והחומר הדיאלקטרי, האלקטרונים מתחילים לרטוט יחד עם האור הפוגע. נוצרות כך תנועות גליות של האלקטרונים במישטח המתכת יחד ובאחידות עם התנועות הגליות של האור הפוגע. כך נוצרים אופנים אלקטרומגנטיים שקרויים פלסמוני משטח: גלי צפיפות של האלקטרונים אשר מתפשטים לאורך הממשק שבין המתכת והחומר הדיאלקטרי כמו מעין אדוות. אופנים אלה מספקים דרך יעילה לצימוד האור והאלקטרונים ואת האפשרות למניפולצית האור בסקלות גודל קטנות הרבה יותר מאשר אורך הגל שלו: דוחסים את הפלסמונים ותוחמים אותם למבנים בגודל ננומטרי, כך שתהיה להם אותה התדירות כמו לאור הפוגע, ואותו המידע. אולם עתה הם בעלי אורך גל קטן יותר.

מבנים פלסמונים ומטא-חומרים. מבנים פלסמונים נחשבים כמעבירי נתונים אופטיים ואלקטרוניים החזקים ביותר. המבנים הפלסמונים מאפשרים את השידור של נתונים בתדירויות אופטיות על פני משטח של חוט מתכת זעיר, זאת למרות העובדה שהנתונים נעים בצורת התפלגויות צפיפות אלקטרונים ולא בצורת פוטונים. ההגבלה העיקרית של המבנים הפלסמונים היא שפלסמונים נוטים להתפזר לאחר מילימטרים בודדים בלבד. לכן הם קצרי חיים מכדי לשמש לשליחת נתונים למרחק של אפילו כמה סנטימטרים בודדים. הטכנולוגיה לכן זקוקה לשיפור רב יותר. מסיבה זו משתמשים בחומר בעל מקדם שבירה נמוך, או במטא-חומר שלו מקדם שבירה שלילי. כך שהאנרגיה האלקטרומגנטית הנכנסת מוחזרת במקביל לפני המשטח של החומר ומועברת לאורכו כמה שניתן. לא קיים חומר טבעי בעל מקדם שבירה שלילי, ולכן חומרים מהונדסים ברמת הננו משמשים לבניית רכיבים פלסמונים אפקטיביים. ואלה הם כאמור המטא-חומרים. ולכן הרכיבים הפלסמונים תלויים בננוטכנולוגיה.

החוקרים התחילו לחקור בתחום ב-2005. ביוני 2009 הם שכללו את המערכת.

החוקרים יצרו כיסוי מטא-חומר פלסמוני על החיישן כדי להפחית דראסטית את הפיזור הכללי באמצעות תחום חדש שקרוי אופטיקת טרנספורמציה ובעגה פופולארית זוהי “פיזיקת הארי פוטר”. מעין דרך חדשה לתכנן מערכות אלקטרומגנטיות.

אופטיקת טרנספורמציה: בעולם אידיאלי קווי שדה מגנטי וחשמלי ממוקמים בכל מקום בהתאם לחוקי הפיזיקה. עתה נתחיל בתבנית קווי שדה שנשלטת על ידי משוואות מקסוול של האלקטרומגנטיות עבור מערכת שהיא בחלל חופשי או מערכת במבנה פשוט של פֶּ‏‏רְמִיטִיבִיות (גודל המתאר כיצד שדה חשמלי משפיע ומושפע מתווך דיאלקטרי) ופרמביליות (דרגת המגנטיזציה של החומר שמגיב לשדה מגנטי).

נעוות את המערכת עד אשר השדות מקבלים מבנה רצוי. אם נדמיין שהמערכת המקורית שזורה במעין סבכה אלסטית של קואורדינאטות קרטזיות (A). לאחר שעיוותנו את המערכת – כאילו בידינו עדשה מעוותת, הקואורדינאטות המעוותות מתוארות על ידי מה שקרוי טרנספורמציה של קואורדינאטות (B). עתה כותבים מחדש את משוואות מקסוול בעזרת מערכת קואורדינאטות חדשה.

 

מכאן.

כידוע משוואות מקסוול מקבלות את אותה הצורה בכל מערכת קואורדינאטות. אולם הערכים של הפרמיטיביות והפרמביליות ישתנו. ערכים חדשים אלה הם אלה שמקבל המטא-חומר וכך השדה האלקטרומגנטי מקבל מבנה מעוות.  

המהנדסים תכננו חומר בעל מקדם שבירה שלילי (מטא-חומר), באופן כזה שהוא ינתב מחדש את הסיגנלים האלקטרומגנטיים מסביב לאזור נתון בחלל. המטא-חומר מבודד את האזור הזה מסביבתו והופך אותו לבלתי נראה. באמצעות טכניקות העלמה של ניתוב מחדש של הסיגנלים האלקטרומגנטיים, מובטח שהעצם בתוך האזור יהיה בלתי נראה מפני הצופה שיושב סביב ומחוץ לעצם שאותו מסתירים. טכניקות ההסתרה האלה גם מבטיחות שניתן “לראות דרך העצם ומאחורי” האזור שאותו מעלימים, מבלי לשים לב לנוכחות העצם המוסתר. וכל זאת בתדירות האור שאותו המטא-חומר מסיט.

אולם אחד מהמאפיינים המעניינים שהם ייחודיים דווקא למערכת ההסוואה שאותה גילו החוקרים עתה, ומיושם לחיישן המצופה במטא-חומר פלסמוני, הוא שהפנים של האזור המוסווה הוא לא מבודד מהסביבה החיצונית. במקום זאת, ישנו שדה כלשהו שהוא פרופורציוני לסיגנל הנכנס ומושרה בתוך המסווה. נניח שהעצם המוסווה הוא חיישן, כלומר ננו-בודק אופטי- מחט המיקרוסקופ אופטי סורק שדה קרוב. הוא עדין יכול לחוש את הנוכחות של העולם החיצוני, למרות שניתן להפחית דרמטית את השדות המפוזרים שלו על ידי כיסוי שהחוקרים תכננו אותו היטב. ניתן לכסות את הננו-בודק האופטי של המיקרוסקופ בשכבה פלסמונית שתוכננה היטב, וזו תפחית משמעותית את ההפרעות של השדה-קרוב לסביבה בעת המדידה.

37872972.jpg 

באיור a רואים את החיישן חשוף, כאשר הוא יכול לקבל סיגנלים, אבל נוכחותו יכולה להפריע לסביבתו, ולכן ניתן לגלותו מבחוץ וגם הוא יוצר רעשים.

באיור b על החיישן מסביב מולבשת “גלימת העלמות” או חומר מסתיר, שמתכננים אותו בצורת קליפה פלסמונית סביב החיישן. יכולת החישה של החיישן לא נפגעת – הוא יכול לקבל סיגנלים שבאים מבחוץ. אולם החיישן נהפך לבלתי נראה לסביבתו – הקליפה יכולה להפחית בצורה דראסטית את הקרינה המתפזרת הכוללת של המערכת בכל הכיוונים, וכך לגרום לנוכחותה להיות בעקרון בלתי מורגשת.  

מחקר נוסף. פיזיקאים מאוניברסיטת בוסטון – וילי ג’י פדילה ונתן לנדי – יצרו סימולציה לרכיב שמורכב מהרכב מסובך של מטא-חומרים שמנחה את הגלים האלקטרומגנטיים לנוע סביב עצמים כמו למשל סביב פינות של בניינים או מבנה כמו התבנית של החוף המזרחי של ארה”ב. בזמן שהגלים עושים זאת הם ממשיכים להתנהג כאילו הם נעים בקו ישר. החוקרים משלבים מטא-חומרים ואת מתודולוגיית אופטיקת הטרנספורמציה ליצירת סבכה של מיפוי מעוות שיכול לגרום לגלים לחלוף סביב העצמים ועדיין להתנהג כאילו העצמים לא קיימים, ולכן הגלים מתנהגים כאילו הם נעים בקו ישר.

הגלים האלקטרומגנטיים מונחים על ידי מנחה גלים (שבנוי ממטא-חומר) סביב דפורמציות ועיקולים, עוברים פינות ומתנהגים בסופו של דבר כאילו הם נעים בקו ישר. בסימולציית מחשב קיצונית אחת, החוקרים מתארים רכיב בעל יכולת הסתרה והסוואה ניכרת. הרכיב הוא מנחה גלים מרובע בצורת החוף המזרחי של ארה”ב, שמתפרש ממישיגן ועד למיין, סביב פלורידה ועד לואיזיאנה. מנחה הגלים כיוון את הגלים המתפשטים בחלקות כמעט ללא הפרעה סביב פרופיל חוף ארה”ב המזרחי, אבל הגלים התנהגו כאילו הם נעו בקו ישר:

הגלים מתפשטים לאורך מנחה גלים מרובע שממופה לכדי חוף ארה”ב המזרחי. הגלים מתפשטים בחלקות לאורך מנחה הגלים כמעט ללא הפרעה ומתנהגים כאילו הם נעים בקו ישר.

קראו כאן המאמר המקורי.

פיזיקת הבלתי אפשרי מאת הפופולריזטור של המדע מישיו קאקו. הספר עוסק בטלפורטציה, מסע בזמן ופיזיקת הסתרה, פיזיקת הארי פוטר – מטא-חומרים והעלמת עצמים…

 

Physics of the Impossible: A Scientific Exploration into the World of Phasers,  Force Fields, Teleportation, and Time Travel By Michio Kaku Doubleday 352 pp., $26.95

כאן

Advertisements