כשמסתכלים על טכנולוגיות ותיקות כמו מכ”ם ותקשורת בסיבים אופטיים, וגם כשעוסקים בכלים ניסיוניים כמו שבבים פוטוניים וקוונטיים, מה שמגדיר את הטכנולוגיות הללו בפועל הוא האופן שבו הן משתמשות בגלים אלקטרומגנטיים. חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מצאו כעת דרך חדשה ויעילה לשלוט בגלים אלקטרומגנטיים. הם השתמשו לשם כך במטא-חומרים דקים שהדפיסו במדפסת תלת-ממד במבנה תלת-ממדי פשוט ויעיל שלא נוסה בעבר. לאחר מכן הם הראו שאפשר לשחזר את היכולות הללו גם במעגלים מודפסים דו-ממדיים, וכך לקצר משמעותית את הדרך שעל הטכנולוגיה החדשה לעבור מהמעבדה לייצור מסחרי.
גלים בכל מיני צבעים
קרינה אלקטרומגנטית מקיפה אותנו מכל עבר. היא כוללת טווח רחב מאוד של גלים בעלי תכונות שונות, ובתוכם האור הנראה על שלל צבעיו, גלי רדיו, קרני רנטגן, קרינת מיקרוגל ועוד. את האור עצמו אפשר לתאר כשטף של חלקיקים בשם פוטונים. לכל פוטון יש שדה חשמלי ושדה מגנטי שחוזקם משתנה באופן מחזורי כמו גלים. ההבחנה בין סוגי הקרינה האלקטרומגנטית נובעת מקצב התנודות המחזוריות ומהמרחק שהפוטון עובר בין שיא לשיא. אלו הם התדר ואורך הגל.
כשפוטון פוגש אטומי חומר, השדה החשמלי שלו מגיב לשדה החשמלי שלהם, בדומה למגנטים שדוחים או מושכים זה את זה. במסגרת התגובה הזאת, הפוטון יכול לחזור אחורה כמו אור שחוזר ממראה, הוא עשוי להיבלע בחומר ולהפוך לחום, או לעבור הלאה דרך החומר כמו שאור עובר דרך זכוכית, תוך שהוא משנה מעט את כיוון התנועה שלו.
אחת התכונות של הקרינה האלקטרומגנטית היא הקיטוב – האופן שבו השדה החשמלי של הפוטון משתנה. לדוגמה פוטון ששדהו החשמלי מתנודד על ציר אנכי – למעלה ולמטה – ייחשב מקוטב אנכית. לעומת זאת, אור שנפלט ממנורה מכיל ערב-רב של קיטובים.
חישבו למשל על משקפי שמש מקוטבים. כשנהג שמרכיב משקפיים כאלה נוסע במכונית, שטף האור – הפוטונים – שחוזר מהכביש לעיניו מגיע אל המשקפיים מקוטב אופקית. החומר המקטב בעדשות המשקפיים, פולרואיד, מורכב ממולקולות ארוכות המיושרות בכיוון האופקי. ככל שהקיטוב של הפוטונים אופקי יותר, יהיו יחסי גומלין חזקים יותר בינם ובין הפולרואיד, וחלק משטף האור המסנוור ייבלע במשקפיים. ולהפך, פוטונים שהשדה החשמלי שלהם מקוטב אנכית יעברו מבעד לעדשה בקלות.
גל אלקטרומגנטי מקוטב: השדה החשמלי (בכחול) מתנודד למעלה ולמטה, והשדה המגנטי (באדום) מאונך לו. במקרה זה, הגל מקוטב אנכית. כך מתנהג האור שעובר דרך עדשת פולרואיד מקטבת | And1mu, Wikimedia
מטא-חומרים
חומרים רבים הם גבישים: אטומים שמחוברים זה לזה במבנים זהים שחוזרים על עצמם שוב ושוב. אם נחבר את אותם אטומים במבנה אחר נקבל חומר עם תכונות אחרות לחלוטין. למשל גם הגרפיט שבחוד העיפרון וגם היהלום עשויים מהיסוד פחמן, אבל המבנה הגבישי שלהם שונה. כך יוצא שגרפיט הוא חומר שחור ומתפורר ואילו יהלום הוא גביש שקוף, והחומר הקשה ביותר שקיים בטבע.
מטא-חומרים הם חומרים מלאכותיים שבני אדם יוצרים בתבניות חוזרות שלא קיימות סתם כך בטבע, במטרה להקנות להם תכונות חדשות. למשל מבנים שמשלבים חומרים מוליכי חשמל בתוך חומר מבודד יכולים לשנות את האופן שבו גלים אלקטרומגנטיים מגיבים עם החומר. מהנדסים יודעים כיום ליצור עדשה שטוחה (Superlens), להסוות עצמים או לכוון אלומות של גלים אלקטרומגנטיים בלי צורך בחלקים נעים, לשימוש ברשתות תקשורת מהדור החדש ובסורקי לייזר לכלי רכב אוטונומיים, כל עוד מדובר בתדרים בתחומי התת-אדום והמיקרוגל.
במחקר הנוכחי יצרו החוקר ירדן מזור מאוניברסיטת תל אביב והדוקטורנט שלו נדב גושן, מבנים שחוזרים על עצמם במערך דו-ממדי. כל יחידת מבנה כזאת היא מעין חוט מתכת המתפתל כאילו ליפפו אותו סביב טבעת, כך ששני קצות החוט מחוברים. המבנים האלה, שנקראים “חלקיקי קשר”, הודפסו בתוך לוח מחומר מבודד שעוביו פחות ממילימטר. כך יצרו חלקיקי קשר בקוטר של מילימטרים ספורים, גודל שמגיב היטב לגלי מיקרו בתדר שקרוב לעשרה ג’יגה-הרץ (עשרה מיליארד מחזורים בשנייה), תדר שנמצא בשימוש בדרך כלל במערכות מכ”ם ובלווייני תקשורת.
אחד ההישגים המרכזיים של החוקרים הוא שהמטא-משטח שהם יצרו מסוגל להטות את הקיטוב של פוטון לזווית חדשה. מנגנון ההטיה הזה שונה מכל המנגנונים הקיימים כיום, ולכן פותח אפשרויות חדשות למהנדסים שמעוניינים לבנות מערכת שדורשת סיבוב קיטוב. מכ”מים ומערכות של תקשורת לוויינים, למשל, צריכים להתאים את זווית הקיטוב שלהם כדי לשפר את הקליטה או את איכות האותות שהם משדרים. הדרכים המקובלות לכך כיום מחייבות להשתמש ברכיבים הרבה יותר גדולים וכבדים בהשוואה ללוח הדקיק שיצרו החוקרים. יתר על כן, החוקרים הראו שהיכולת הזאת נשמרת אפילו כשמכניסים למעגל מודפס שטוח, כמו אלה שיש בכל מכשיר אלקטרוני, גרסה דו-ממדית של חלקיק הקשר החדש.
החוקרים פיתחו מטא-משטח המכיל אלפי חלקיקי קשר שהודפסו בהדפסת תלת-ממד ומשנים את זווית הקיטוב של הפוטונים הפוגעים בהם | Goshen & Mazor, 2025, CC BY-NC
“בלי צורך בחישובים מורכבים”
חוקרים כבר הראו בעבר שאפשר להיעזר במטא-חומרים כדי להטות את זווית הקיטוב, אך עד כה נדרשו לשם כך כמה שכבות של מטא-חומר וחישובים מורכבים לקביעת התצורה המיטבית של יחידות המבנה הללו. החידוש הנוכחי הוא שהחוקרים הצליחו לפשט את המבנה הרב-שכבתי לשכבה אחת של יחידות מבנה שלא דורשות חישובים מורכבים.
להשגת המטרה הזאת הם השתמשו בחלקיקי הקשר, שאותם הם הגדירו באמצעות שני מספרים בלבד: מספר הליפופים-כביכול על הטבעת, ומספר ההקפות סביבה. שילובים שונים של זוגות המספרים הללו באים לידי ביטוי בהבדלים בתכונות החומר וביכולותיו. “נובע מכך שקל לבחור ולהתאים את המבנה של חלקיק הקשר הדרוש לעבודה בתדרים שונים”, אמר מזור בריאיון לאתר מכון דוידסון. “כך אוכל תמיד לבחור בקלות את מידות הטבעת על סמך שיקולים גיאומטריים פשוטים, בלי צורך בחישובים מורכבים”.
חלקיק הקשר מסוגל לשמר את היכולת להטות את קיטוב הפוטון אפילו אם משנים את גודל החלקיק, ואיתו את המרחק בין החלקיקים במערך. מכיוון שהגדלים האלה מכתיבים את אורך הגל הנדרש לתגובה מיטבית, אפשר להלכה להשתמש באותם חלקיקי קשר באורכי גל שונים ולרתום אותם למגוון רחב של יישומים שונים לחלוטין. למשל הקטנה נוספת של החלקיקים תאפשר לשכפל את ההישג גם ליישומים שפועלים בתחום הקרינה התת-אדומה ואפילו באור הנראה.
עם זאת, במקרה כזה יידרשו חומרים אחרים ושיטת ייצור שונה. לדברי מזור, גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל כל כך קטנים ייבלעו בחומר המבודד שעוטף את החלקיקים ולא ישיגו את המטרה שאנו מבקשים להשיג. את הפתרון הזה יצטרכו כבר לפתח מומחים לייצור שבבי מחשב, שעובדים בקנה המידה של מיליארדיות המטר.
כעת אפשר לקוות שחוקרים ומהנדסים אחרים ישתמשו בתיאוריה שהציעו מזור וגושן לפיתוח יעיל ומהיר יותר של רכיבים המבוססים על מטא-משטחים. יתרה מזאת, העובדה שהחוקרים השיגו ביצועים דומים על גבי מעגלים מודפסים דו-ממדיים, מובילה למסקנה שרכיבים שיתבססו על חלקיקי הקשר צפויים להיות פשוטים וזולים לייצור ביחס לנעשה בתחום המטא-משטחים עד היום.
באדיבות מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע.
■ קישור לכתבה
■ אתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
https://davidson.weizmann.ac.il/
