חוקרים מהטכניון הראו חישה אופטית של עצמים קטנים מהצפוי

6 יוני, 2017

במאמר ב-Science החוקרים הראו דרך לבצע חישה אופטית של עצמים הקטנים פי 100 ויותר מאורך גל האור המשמש לבחינתם. התגלית יכולה להיות בשורה חשובה לתעשיית הסמיקונדקטורס

Share via Whatsapp
Technion Science Article Nano Optics

מאמר של חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ניו-יורק שהתפרסם ביום חמישי האחרון בכתב העת המדעי Science, הציג דרך המאפשרת חישה אופטית של עצמים הקטנים פי 100 ויותר מאורך גל האור המשמש לבחינת העצמים האלה. הדבר נחשב עד כה לבלתי אפשרי, ולמגבלה קשה בתחום מערכות הבדיקה האופטיות בתעשיית הסמיקונדקטורס. חוקרי הטכניון הם הדוקטורנט חנן הרציג שינפוקס וד"ר יעקב לומר מקבוצת המחקר של פרופ' מוטי שגב מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, ד"ר גיא אנקונינה ממכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה ופרופ' גיא ברטל מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון, והחוקר האמריקאי פרופ' עזריאל ז' גנאק.

Technion nano optics experiment
סכימת המחשה של מבנה הניסוי

המחקר המוצג במאמר עוסק ב"מגדל" של שכבות ננומטריות שכל אחת מהן דקה פי 20,000 בערך מדף נייר ממוצע. העובי של כל אחת מהשכבות אקראי במתכוון, ובדרך כלל אין משמעות רבה לאי-הסדר הננומטרי הזה; אולם בניסוי הנוכחי, די היה בעיבוי של שכבה אחת ב-2 ננומטר בלבד (עובי של כ-6 אטומים) כדי לשנות את כמות האור המוחזרת מהמגדל בזווית ספציפית. יתר על כן, ההשפעה המצרפית של הבדלי עובי אקראיים אלה בכלל השכבות יוצרת תופעה פיזיקלית הקרויה מיקומיות אנדרסון (Anderson Localization).

פרדיגמה אופטית חדשה

הגילוי המשמעותי במחקר המתפרסם כעת הוא שמיקומיות זו, בניגוד לסברה המקובלת עד כה, יכולה להיות חשובה ומשפיעה גם במימדים כה זעירים. תופעת מיקומיות אנדרסון התגלתה בשנת 1958 וזיכתה את פיליפ אנדרסון בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1977. עיקרה הוא שבתנאים מסוימים, אי-סדר גורם לחלקיקים להתמקם במרחב ולהישאר כלואים בתוך אזור מוגבל. התופעה נחזתה לראשונה במחקר של פיזיקת חומרים, בהקשר של הפיכת חומרים מוליכים למבודדים.

הדגמה ניסויית של מיקומיות אנדרסון ידועה כאתגר קשה במיוחד, וקשה אף יותר כאשר האי-סדר מתבטא רק ברכיבים קטנים בהרבה מאורך הגל. זכוכית למשל, נראית אחידה לגמרי אפילו במיקרוסקופ האופטי הטוב ביותר שבנמצא, וזאת למרות אי-הסדר המאפיין אותה (הסידור האקראי של האטומים בתוכה). בשל כך נהוג להניח שאי-סדר בסקלה של ננומטרים בודדים לא יבוא לידי ביטוי אופטי משמעותי. זו ההנחה שחוקרי הטכניון מפריכים כעת.

בניסוי שנערך בטכניון יצרו החוקרים מצב שבו המערכת נמצאת במצב הדומה לשיווי משקל ולכן מפגינה רגישות מוגברת לשינויים קטנים, בדומה לאדם המהלך על חבל. אותה אי-יציבות פיזיקלית גרמה לכך שהשפעתו של האי-סדר הננומטרי תהיה חזקה יותר, וכך תתאפשר חישה אופטית של מיקומיות אנדרסון למרות שהיא מתרחשת במימדים זעירים בלבד.

בשורה לתעשיית הסמיקונדקטורס

חוקרי הטכניון מציגים את הממצאים כהוכחת היתכנות העשויה לסלול דרך ליישומים משמעותיים חדשים של חישה אופטית. גישה זו עשויה לאפשר שימוש בשיטות אופטיות ליצירת כלי מדידה מהירים לזיהוי פגמים ננומטריים בשבבי מחשב ובהתקנים פוטוניים. חשיבותה רבה במיוחד נוכח העובדה שמדידות אופטיות מאופיינות במהירות גבוהה ובעלות נמוכה מאוד יחסית לאלטרנטיבות כגון מיקרוסקופיית קרני רנטגן או מיקרוסקופיית אלקטרונים. עבור תעשיות המטרולוגיה והאינספקשן, המודדות את איכות הייצור של שבבים, יש בתגלית הבטחה למערכות מסוג חדש לבדיקת רכיבים המיוצרים בגיאומטריות של ננומטרים בודדים.

למאמר בכתב העת Science לחצו: Observation of Anderson localization in disordered nanophotonic structures

פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , חדשות , מדע