מה קורה כשמכניסים מיליוני אלקטרונים בחומר בעובי של אטום אחד?
זוהי אחת השאלות המסובכות שאפשר לשאול במדע, וניסיונאים ותיאורטיקנים רבים מנסים לענות עליה.
כיצד אפשר למדוד ולגלות מה מתרחש בסקאלות הקטנות האלו?
בקבוצה שלנו, אנו מפתחים שיטות חדשות למדוד את הפיזיקה של חומרים במימדיות נמוכה, כולל גבישים דו-מימדיים וננו-צינוריות חד-מימדיות. בעזרת השיטות החדשות, אנו מפתחים התקנים חדשים עם תפעול חסר תקדים. אנו מתמקדים בעיקר במדידת אנרגיה: איך היא זורמת בחומרים הקיצוניים האלה ואיך היא חושפת תכונות חדשות.
אלגוריתמים קוונטיים מציגים פוטנציאל מבטיח לטכנולוגיה עתידית. למרות היכולת התיאורטית של מחשב קוונטי לבצע משימות יוצאות דופן, כמו שבירת הצפנת RSA בסביבה אידיאלית, מגבלות מעשיות, במיוחד רעש, מעכבות באופן משמעותי את הביצועים שלהן.
הקבוצה שלנו מתמחה בפיתוח כלים להבנה וניהול של רעשים במערכות קוונטיות פתוחות.
אנו משתמשים במושגים מתמטיים כמו סימטריה, ניוון וטופולוגיה כדי לגלות פרוטוקולים חזקים לשליטה במערכות קוונטיות בסביבות רועשות. אנו חוקרים מצבים שבהם ניתן להשתמש ברעש לטובתנו, במיוחד ליד ניוון מיוחד הנקרא נקודות חריגות.
ננופוטוניקה היא המדע של אינטראקציות בין אור לחומר בקנה מידה ננומטרי. בקבוצה שלנו אנו מתמקדים בהתקנים ננו-פוטוניים, תוך שימוש במגוון חומרים כולל מוצקים (מתכות, מוליכים למחצה, דיאלקטריים), נוזלים ואדים אטומיים.
מחקר טיפוסי מתחיל בהגדרת רעיונות חדשים למכשירים מתקדמים, ממשיך בתכנון ופבריקציה של מכשירים אלו, כל הדרך עד לאפיון והניסוי שלהם במעבדה. באמצעות מכשירים אלה אנו חוקרים תופעות בסיסיות באינטראקציות אור וחומר. מכשירים אלה משמשים גם להדגמה של אינספור יישומים בקנה מידה ננומטרי - תקשורת אופטית, זיכרון, הדמיה, עיצוב אלומה, קצירת אנרגיה, חישה ביוכימית ומטרולוגיה.
במעבדה שלנו אנחנו חוקרים, מתכננים, ובונים מאיץ אלקטרונים חדשני ופורץ-דרך המבוסס על מבנים ננו-פוטוניים המיוצרים בחדרים הנקיים במרכז לננו-פבריקציה שבאוניברסיטה.
המחקר משלב המון תחומים: עבודה בחדר הנקי, סימולציות אלקטרומגנטיות, ננו-פוטוניקה ואופטיקת גלים, לייזרים מהירים "ultrafast" וקצרים בזמן "ultrashort", מיקרוסקופי אלקטרונים, מאיצי חלקיקים, ותכנון וייצור של מערכות אלקטרון-אופטיות: עדשות מגנטיות, אלקטרוסטטיות, ועוד.
תוצאות המחקר הן ברובן מיועדות למדע היישומי ועם עין לכיוון אפליקציות בתעשיות השונות, ובכללן בתחום הרפואה.
גילוי מוקשים המוטמנים בקרקע, וחישה כימית של חומרי מטרה שונים באמצעות חיישנים ביו-אופטואלקטרוניים המבוססים על חיידקים פולטי אור מהונדסים גנטית.
תכנון בנייה ואפיון של התקנים אלקטרו-הולוגרפיים המבצעים מיתוג פוטוני וכיוונון אורכי גל המיועדים ללייזרים של מצב מוצק, בפרט עבור מערכות LIDAR וחיישנים המבצעים חישה מרחוק.
פיתוח אנטנות רדיו זעירות על מצעי KLTN עבור התקנים רפואיים המושתלים בגוף.
אנחנו מפתחים התקנים קוונטיים הפועלים בטמפרטורת החדר.
המחקר בקבוצה משלב ידע בהתקנים, פיסיקה ביולוגיה וכימיה. מטרת הקבוצה היא לנצל מולקולות וחלקיים ננומטרים המשפיעים על פני השטח על מנת ליצור דרך לשלב את מכניקת הקוונטים בהתקנים העובדים בטמפרטורת החדר. הקבוצה גם משלבת דרכי חישוב "קלאסיות" עם קוהרנטית קוונטית במרחקים הקטנים.
מומחיות הקבוצה היא התקנים ננו-מטרים, גלאים, מקורות, והתקני לוגיקה וזיכרון. מאמץ רב מושקע באלקטרוניקה מבוססת ספינים המשתמשת במולקולות כיראליות. מאמץ זה הביא לפיתוח התקני זיכרון מבוססי ספין פשוטים, ולפריצות דרך בתחום הכימיה והביולוגיה.במחקר מקביל ומשלים אנו חוקרים את המעבר מביולוגיה קוונטית לקלאסית במנגנונים ביולוגים ממשיים.
מה אנו עושים? אנו לומדים את הפיסיקה והיישומים של מכשירי מדידה זעירים, ש"הפעימות" שלהן נקבעות על ידי תכונות קוונטיות של האטומים. המעבדה תחקור את אבני הבניין הבסיסים של חיישנים קוונטים, תוך שימוש ביישומים ודיספלינות מעולם מטרולגיית זמן ותדר.
נענה על שאלות כגון כיצד מתנהגים אטומים כלואים במימדים קטנים? כיצד מבצעים אטומים אינטרקציה עם ודרך קירות? וכמו כן, כיצד מסרקי תדרים מבצעים אינטרציה חזקה עם אטומים? לאור אלו, נפתח סוגים שונים של שעונים אטומים, מגנטומטרים וחיישני שדה-חשמלי על ידי שימוש במסרקי תדרים זעירים, תאי אטומים "חכמים" וננוטכנולוגיה.
הקבוצה עוסקת בטכנולוגיה חדשנית בעולם האלקטרוניקה הקרויה ספינטרוניקה - אלקטרוניקה המבוססת ספין האלקטרון. בטכנולוגיה זו זורמים זרמים חשמליים בהם ספין האלקטרון מקוטב בכיוון מוגדר וכך אנו מנצלים את תכונת הספין של האלקטרון מעבר למטענו בלבד על מנת לפרוץ את גבולות האלקטרוניקה הקונבנציונלית.
בקבוצה אנו מפתחים דרכים לשליטה בספין האלקטרון בהתקנים חשמליים מהונדסים ברמה האטומית לאפליקציות חישה, זיכרון ועיבוד.
במשך שנים רבות, מאז גילוי התופעה של הרמוניות גבוהות, שאפו חוקרים לשפר את יעילות ההמרה כדי לקבל מקור קרינת X בעוצמות שיאפשרו יישומים שאינם אפשריים כרגע.
במעבדה שלנו אנו תוקפים בעיה זו בשני כיוונים חדשים: הכיוון הראשון הוא שאנו משתמשים בלייזר רב עוצמה (20 טרה-וואט) במקום בלייזרים הרגילים ומייצרים את ההרמונית בתוך מוקדים ארוכים. הכיוון השני שאנו מיישמים הוא לנצל רזוננס פאנו על מנת לייעל את יצירת ההרמוניות. תהליך זה מעניין לכשעצמו מכיוון שהוא מכיל פיסיקה סופר-מהירה של אינטראקציה רב גופית ואנו חוקרים גם את התהליך עצמו.
פרויקטים נוספים שמתבצעים במעבדה שלנו הם עירור של גלים דמויי צונאמי בפלסמות תוך שימוש בתופעת האוטורזוננס ופיתוח משפחת לייזרי פמטושניה בתחום האינפרא אדום.
אנחנו חוקרים שיטות להגדלת הקיבולת ושיפור היעילות במערכות תקשורת סיב-אופטיות, לתמיכה בצריכת האינפורמציה הגדלה של האנושות. החידושים שלנו ברמת התקנים פוטוניים מבוססים על מבנים מהונדסים להולכת אור על גבי שבב (מעגלים פוטוניים מודפסים לביצוע משימה ייעודית, בדומה למתבצע במעגלים אלקטרוניים), בניית תתי-מערכות בשימוש באופטיקה מרחבית (עדשות, סריגי דיפרקציה, מסכות פאזה, וכד'), וכן השילוב ביניהם. התקנים ותתי-מערכות אלו מאפשרים לנהל את תעבורת התקשורת ברשתות אופטיות מורכבות, כמו אלו בתשתית האינטרנט ובמרכזי אגירת ועיבוד הנתונים ('הענן').
ארגז הכלים העומד לרשותנו כולל: שימוש בכל דרגות החופש האופטיות (זמן, תדר, פאזה, קיטוב, ומרחב), עיצוב המרחב הדו-ממדי והתלת-מימדי בכלים ליטוגרפיים בסקלה ננומטרית, חומרים עם תכונות פיסיקליות מתאימות לרבות אפקטים אלקטרואופטיים ולא-ליניאריים וניצולם, והנעה מכנית בטכנולוגיית ממס.
המחקר בקבוצתנו מתמקד בפיתוח שיטות מתקדמות לדימות וחישה בתווכים מורכבים. מטרתנו היא לפתח אמצעים חדשניים שיאפשרו להביט לעומק גוף האדם באופן לא פולשני, לראות דרך ערפל, דרך סיבים דקיקים, ולחוש ולהתריע על אובייקטים שלא ניתנים לגילוי בטכניקות הקונבנציונליות.
פריצות הדרך בעבודתנו מתאפשרות באמצעות שילוב דיגיטלי של אור, אולטראסאונד, ושיטות חישוביות מתקדמות לשחזור תמונה מתוך מידע עשיר וייחודי.
