אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 9: כל מה שצריך זה לסובב – על הקשר בין כיראליות, פלזמונים ומקדם שבירה שלילי

נפגשתי עם בן מעוז כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

בן הוא סטודנט לדוקטורט בכימיה פיזיקלית בקבוצה של פרופ' גיל מרקוביץ מאוניברסיטת תל-אביב. הוא נשוי ליסמין שעוסקת במחקר בפיזיקה במסגרת פוסט-דוקטורט במכון ויצמן וביחד הם הורים לילד. בסופי שבוע נוהג בן להשתתף בקבוצת רכיבה של אופני שטח שהתחילה כתחביב קטן והפכה עם הזמן לתחביב גדול ומהנה.

בן, אז מה אתם עושים שם?

המעבדה שלנו עוסקת במגוון נושאים הקשורים לחומרים מיוחדים וננו-טכנולוגיה, אבל הייתי רוצה לספר לך בעיקר על פרויקט מאוד מיוחד שעבדנו עליו. מטרת הפרויקט היא לפתח דרך חדשה לייצר חומרים עם מקדם שבירה שלילי, תוך שימוש בפלזמונים ובתכונת הכיראליות (אל דאגה, תכף נסביר).

מהו מקדם שבירה ולמה כל השליליות הזאת?

כאשר אור עובר בין תווך לתווך, למשל בין אוויר לזכוכית, חלקו מוחזר וחלקו נשבר. זווית השבירה תלויה בתכונה של שני החומרים שנקראת 'מקדם השבירה' והיא היחס בין מהירות האור בוואקום למהירות האור בחומר. זוויות השבירה האפשריות מוגבלות בגלל שמקדמי השבירה תמיד חיוביים (ראו איור 1).

איור 1: חוק סנל אנד-ביונד.

לפני כמה שנים הראו מדענים באופן תיאורטי ולאחר מכן גם בניסוי שבעזרת חומרים עם מקדם שבירה שלילי ניתן לפתח התקן שמסתיר דברים מהעין (גלימת העלמות נניח). את מקדם השבירה השלילי הם השיגו על ידי שימוש במטא-חומרים שהם מבנים מעשה ידי אדם המורכבים מיחידות קטנות ומיוחדות. הדרך הנפוצה ביותר לקבלת מקדם שבירה שלילי היא על ידי יצירת המבנה מיחידות מעגל חשמלי זעיר (חצי מאורך הגל) דמוי אנטנה. המבנה המיוחד מאפשר למטא-חומרים להשפיע על אור בדרכים שאף חומר טבעי אינו יכול. הבעיות העיקריות עם הכיוון הזה הן בעיות הנדסיות שמקשות מאוד על יצירת החומרים המתאימים.

ישנה, לדעתנו, דרך פשוטה יותר ליצר חומרים עם מקדם שבירה שלילי וזאת על ידי שימוש במתכות עם תכונות כיראליות.

מהי כיראליות?

המילה כיראליות מגיעה מהמילה היוונית לידיים. נשים לב שלמרות שהידיים שלנו דומות, הן למעשה תמונת מראה אחת של השנייה. אני בטוח שכל מי שניסה לשים כפפת יד ימין על יד שמאל או להפך שם לב לכך. דמיינו שאתם פוגשים ידיד ושולחים את יד ימין כדי ללחוץ את ידו לשלום. אם החבר מתבלבל ושולח אליכם את יד שמאל, תתקשו מאוד בפעולת הלחיצה, מה שעלול להוביל לרגע של מבוכה.

איור 2: כיראליות המודגמת על ידי ידיים ועל ידי מולקולה בתצורת יד ימין ויד שמאל. המקור לתמונה נאס"א, נלקח מויקיפדיה.

בטבע, ישנן מולקולות שיכולת לקבל באותה מידה תצורת יד ימין ותצורת יד שמאל (ראו איור 2). מכיוון שמולקולות רבות הינן בעלות השפעה בגופנו, וההשפעה של יד ימין ויד שמאל עלולה להיות שונה, נושא הכיראליות חשוב לנו מאוד. למשל מולקולת מסוימת בתצורת יד ימין היא סוכר ובתצורת יד שמאל היא ממתיק מלאכותי. ומתחום הרפואה, מולקולה שבכיווניות אחת משמשת לטיפול בשיעול ובכיוון השני להקלה על כאבים.

כהערת אגב, אחת התעלומות הגדולות במדע כיום היא הסיבה לכך שכל הסוכרים והחלבונים בגוף כל יצור חי נוצרים כולם עם אותה כיראליות, כלומר או שכולם ימניים או שכולם שמאליים.

תכונה נוספת של כיראליות היא ההשפעה שלה על אור מקוטב. קיטוב הוא כיוון תנודות השדה החשמלי ביחס לכיוון התקדמות גל האור, ולכן אור מקוטב הוא גל אלקטרומגנטי בעל קיטוב מוגדר (בניגוד למשל לאור השמש המורכב מאוסף גלים בעלי קיטוב שונה). כאשר אור מקוטב עובר דרך תמיסה של מולקולות כיראליות, זווית הקיטוב תשתנה בהתאם לכיוון הכיראליות, אם יד ימין אז לכיוון אחד ואם יד שמאל אז לכיוון ההפוך.

אז איך כל זה קשור לפרויקט שלך?

לפני כמה שנים הראה הפיזיקאי ג'ון פנדרי (Pendry) שניתן לשלב בין תכונת הכיראליות לחומר מתכתי ולקבל מקדם שבירה שלילי. לדוגמא, סליל מתכתי יכול להיות מסולסל או לימין או לשמאל, כלומר 'עם' או 'נגד' כיוון השעון. אבל לפני שאני מגיע לפרויקט שלי, אני רוצה להוסיף אלמנט נוסף.

מה לדעתך הצבע של מטיל זהב?

זהב?

כמובן. כעת, מה הצבע של חתיכת זהב קטנה מאוד, נניח כמה ננומטרים (ננומטר= 10^-9 מטר)?

יש לי הרגשה שזאת שאלה מכשילה.

אתה צודק, מכיוון שצבעה אינו זהב אלא אדום.

זהב אדום? למה?

מכיוון שבמתכות ישנה תופעה של תנודות בצפיפות האלקטרונים על פני השטח (פלזמונים). תדירות התנודות נקבעת על ידי סוג המתכת וגודלה. התנודות על פני פיסת זהב קטנה הן בתדירות של אור אדום. כאשר אור לבן פוגע בפיסת הזהב נוצרת הגברה והחזרה של האור האדום ולכן הפיסה תראה אדומה. תופעה זאת מתרחשת בכל המתכות, אך רק בזהב ובכסף יוחזר אור בתחום הנראה.

האפקט עובד בצורה דומה גם הפוך. אם נקרין אור אדום באורך גל של 600 ננומטר על לוח עם חור בגודל 100 ננומטר, האור לא יעבור לצד השני של הלוח, מכיוון שהחור קטן מידי. אך אם הלוח עשוי מזהב, חלק גדול מעוצמת האור תעבור לצד השני כאילו האור עבר דרך החור. האור אינו באמת עובר דרך החור, אלא עובר אינטראקציה עם הזהב ומוקרן לצד השני. המקרה הזה דומה למקרה של החזרה מחלקיק זהב קטן, רק שהפעם אורך הגל שעובר דרך החור נקבע על ידי גודל החור.

ייצרנו במרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב, בעזרת שיטות קידוח מדויקות הלקוחות מתחום הננוטכנולוגיה, לוח זהב ובו מערך של כמיליון חורים (ראו תמונה 3). כלומר יש לנו חומר מתכתי, קל לייצור, שאור אדום אינו נחסם על ידו ומבצע אינטראקציה עם הפלזמונים של הזהב.

תמונה 3: תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני של לוח הזהב עם מערך החורים הננומטרי. המקור לתמונה: בן.

ומה עם הכיראליות?

לקבלת הכיראליות יש לשבור את הסימטריה במבנה ביחס לימין ושמאל. במקום לתכנן מבנה מסובך, הפתרון שלנו הרבה יותר פשוט – לסובב. דמיינו שאתם אוחזים בלוח הזהב המחורר. דחפו את יד ימין אחורה ואת יד שמאל קדימה. כעת סובבו את הלוח כמו הגה של מכונית. סיבוב זה שובר את הסימטריה של המבנה ביחס לאור פוגע. סיבוב בכיוון אחד ייתן יד-ימין ובכיוון השני יד-שמאל (ראו איור 4).

איור 4: שבירת הסימטריה וקבלת כיראליות על ידי סיבוב המבנה. ב)סיבוב ראשון, ג) סיבוב שני לקבלת כיראליות בכיוון אחד, ד) סיבוב בכיוון הפוך לקבלת כיראליות בכיוון השני.

בדקנו בניסויים שאכן אור באורך גל של 600 ננומטר מועבר לצדו השני של המערך דרך חורים שקוטרם 100 ננומטר. כמו כן ראינו שכאשר אנו מסובבים את המערך (כמו באיור 4) אנו מקבלים חוסר סימטריה אדיר בין באור המקוטב ימני לשמאלי, אינדיקציה שהרעיון שלנו עובד כמצופה. באופן זה השגנו מבנה כיראלי – פשוט על ידי סיבוב שלו.

ומה עם מקדם השבירה?

נזכר שהתנאים לקבלת מקדם שבירה שלילי הם אינטראקציה של גל אור עם מבנה כיראלי מתכתי שגודלו לפחות מחצית מאורך הגל. הכיראליות שקיבלנו במבנים הנוכחיים עדיין אינה חזקה מספיק לקבלת מקדם שבירה שלילי, כנראה מכיוון שהם 'גסים' מדי. האתגר כעת הוא לשפר את המבנים ולהצליח למדוד את מקדם השבירה באופן ישיר.

————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 

פרק באלכימיה מודרנית: איך לבנות חומרים חדשים ומופלאים ואז להעלם

האלכימאים של ימי קדם רצו (בין היתר) למצוא דרכים להפוך מתכות פשוטות למתכות יקרות ולגלות את הכוחות המאגיים הטמונים בחומרים שונים.

בשנת 2000 הוצג לעולם חומר חדש אשר הראה תכונות מוזרות שלא היו קיימות בשום חומר אחר בטבע. אותו חומר, מעשה ידי אדם, נוצר על ידי סידור במרחב של אבני בניין פשוטות. חומרים חדשים אלו מכונים 'מטא-חומרים'. בהמשך התגלה כי ניתן לנצל חומרים אלו לשלל יישומים מופלאים למשל מתקני הסוואה והעלמות (cloaking device, כן, כן, כמו ב-'מסע בין כוכבים' ו-'הטורף').

מי הם האלכימאים החדשים, מהם אותם מטא-חומרים וכיצד ניתן להעלם בעזרתם? על כך ברשימה הבאה.

'האלכימאי', ציור מאת ג'וזף רייט, משנת 1771. המקור: וויקיפדיה.

הכל החל עם סר ג'ון פנדרי (Pendry), פיזיקאי מהאימפריאל-קולג' בלונדון ששימש גם כיועץ לחברת טכנולוגיה שעסקה בייצור חומרים מבוססי פחמן אשר יכלו להסתיר ספינות מלחמה מראדאר. פנדרי גילה כי היכולת של החומר לספוג את הקרינה נבעה לא מסוג החומר אלא בעיקר מצורת הסיבים הארוכים שלו. אז עלה במוחו הרעיון שאפשר יהיה לשלוט בתכונות של חומר על ידי כוונון המבנה הפנימי שלו בסקלה הקטנה מאורך הגל שעליו החומר אמור להשפיע.

ניקח אתנחתא הכרחית מהסיפור כדי להבהיר כמה מושגים בסיסיים (יותר או פחות). מה משותף לקרני רנטגן, אור על-סגול (UV), האור הנראה, קרינה אינפרא-אדומה, קרינת מיקרוגל וגלי רדיו? למעשה הם כולם שמות לאותה תופעה: קרינה אלקטרומגנטית. מה שמבדיל ביניהם הוא אורך הגל. הקרינה האלקטרומגנטית נוצרת משילוב של שדות חשמליים ומגנטיים משתנים ומכאן שמה.

הספקטרום האלקטרומגנטי ואורך הגל. מקור חלקי: וויקיפדיה.

האינטראקציה של קרינה אלקטרומגנטית עם חומר תלויה בתגובה של החומר לשדה חשמלי ולשדה מגנטי. אחד הדברים הנובעים מהאינטראקציה זאת הוא שבירה של אור במעבר תווך. אור העובר למשל מאוויר לזכוכית, חלקו מוחזר כמו ממראה וחלקו עובר לזכוכית ונשבר לפי חוק סְנל (ראו איור). אך שום חלק מהאור לא מקיים למשל את התרחיש הימני בציור [1]. כך קבע הטבע. לכן הדברים שניתן לעשות עם אור הם מוגבלים לשימושים המוכרים באופטיקה כגון עדשות.

אבל…אם נדמיין עולם שבו למשל התרחיש השלישי אפשרי, אז נוכל לעשות דברים שהאופטיקה הקיימת אינה מאפשרת. כמה חבל שאין בעולמנו חומר טבעי שכזה. רגע…אולי ניבנה אחד כזה בעצמנו?

חוק סְנל אנד ביונד.

ג'ון פנדרי, זוכרים אותו? זה בדיוק מה שהוא הגה במאמר תיאורטי ופרסם את זה בכתב עת מדעי בשנת 1999. הרעיון הוא שעל ידי הטמעת מערך מסודר של לולאות נחושת קטנות (שאינן מגנטיות באופן טבעי) בתוך חומר אחר ניתן יהיה לעורר תגובה מגנטית. בתגובה לקרינה, נוצר על הלולאות זרם חשמלי המייצר שדה מגנטי (תופעה דומה מתרחשת באנטנות הקולטות גלי רדיו). את אופי התגובה המגנטית נוכל להנדס לפי דרישה על ידי קביעת המבנה.

שנה לאחר מכן מומש הרעיון על ידי דייוויד סמית, פיזיקאי ניסיוני אז מאוניברסיטת קליפורניה וכיום מאוניברסיטת דיוק. בהסתמך על הרעיונות של פנדרי הוא הצליח ליצר חומר שהתגובה שלו לשדות מגנטיים וחשמליים הייתה כזאת שלא קיימת בטבע [2].

מערך טבעות נחושת ליצירת מטא-חומר עם מקדם שבירה שלילי. המקור נאס"א, לקוח מוויקיפדיה.

כעת, כאשר בידי המדענים דרך ליצר חומרים חדשים בעלי תכונות אשר לא היו קיימות לפני כן בטבע, היה זה רק עניין של זמן עד שיישומים אקזוטיים יחלו לבצבץ. למיודעינו פנדרי היה רעיון כיצד לנצל את החומרים החדשים להסתרת חפצים ובמהלך כנס הזכיר את גלימת ההעלמות של הארי פוטר. זמן קצר לאחר מכן פנה אליו סמית והודיע לו שבכוונתו לבנות מתקן העלמות כזה. ואכן ב-2006 הציגו שניהם מכשיר העלמות. כיצד עשו זאת?

אנו רואים דברים מכיוון שאור נתקל בהם, משנה מסלולו על ידי החזרה או שבירה ומגיע אל עינינו. מכיוון שבעזרת מטא-חומרים אנו יכולים לשלוט על התגובה לאור באופן נקודתי, הרעיון הוא לגרום לאור לעקוף את המכשול ולהתאחד חזרה לגל המקורי כך שלא יהיה ניתן לדעת שהיה מכשול. דבר זה דומה לאבן בולטת המפריעה לזרימה של מים בנחל. המים עוקפים את האבן מצידיה. אם נתרחק מהאבן מספיק לא נוכל לדעת על פי צורת הזרימה על קיומה של אותה אבן. הרעיון מודגם יפה בסרטון שהפיקה האוניברסיטה עם הפרסום. הם שמו גליל מתכת, הקרינו עליו בקרינת מיקרוגל והראו שכאשר הם הציבו את מתקן ההעלמות סביבו הקרינה במרחב מתנהגת כאילו הגליל איננו.

וכעת הזמן לפזר מעט את האופטימיות. א) ההדגמה היתה בקרינה בתחום המיקרוגל ולא באור הנראה. זאת מכיוון שקל יותר לבנות את המבנים הדרושים להסתרה: האלמנטים צריכים להיות קטנים מאורך הגל ובמיקרו גלים הוא יחסית גדול. ב) המתקן היה מותאם לתחום צר מאוד של אורכי גל אך הראיה שלנו היא בתחום רחב של אורכי גל (400-700 ננומטר). כלומר כיום מתקן כזה יוכל לדוגמא להעלים רק את הצבע הצהוב אבל לא את כל התמונה. ג) ישנן בעיות של בליעת אור במתקן שפוגעות באפקט ההסתרה. אם אור נבלע במתקן, גל האור שאחריו אינו זהה לגל האור שלפניו. ד) כיום ניתן להסתיר רק חפצים קטנים.

אך בעיות במדע וטכנולוגיה טיבן להיפתר בדרך זו או אחרת וכבר ב-2009 התפרסמו עבודות על מתקני הסתרה בתחום אורכי-גל רחב יותר. כולי תקווה שכבר החלו לעבוד על מכשירי אנטי-העלמות.

לקריאה נוספת:

Metamaterial Revolution: The New Science of Making Anything Disappear – Discover magazine

דר. אהרון האופטמן על 'גלימת העלמות טכנולוגית'

דר. גלי וינשטיין על 'להיעלם עם הארי: מדענים מפתחים גלימת היעלמות'.

—————————————————————————————

[1] למי שלמד פיזיקה: בכדי לקבל את התרחיש הימני אני צריך מקדם שבירה שלילי לחומר הימני וחומר כזה אינו קיים בטבע.
[2] בעצם הם הצליחו ליצור מבנים אשר הגיבו לשדה אלקטרומגנטי כמו חומרים בעלי פֶרְמיטיביות (מקדם דיאלקטרי) ופֶרְמאביליות שליליות כאשר חומרים כאלו, כאמור, לא קיימים בטבע.