פיזיקאים מאוניברסיטת ברמינגהם פיתחו דגם מחשב מה שמאפשר לנו ללמוד בפירוט את האינטראקציה של אור וחומר. במבט ראשון, הבעיה נראתה בלתי פתירה, אבל הצוות מצא דרך לפשט אותה. כתוצאה מכך, ניתן היה לעשות את מה שנחשב בעבר בלתי אפשרי – ליצור תמונה המציגה צורה של פוטון בודד.
ההיסטוריה של חקר טבע האור חוזרת אלפי שנים אחורה. במשך זמן רב, מדענים לא יכלו להגיע לקונצנזוס עד שניסויים הוכיחו שלאור יש תכונות של גל וגם של חלקיק. פוטונים – קוונטים של קרינה אלקטרומגנטית – מייצגים חלקים בודדים של אנרגיה, ותגלית זו שינתה במידה רבה את מהלך המחקר הנוסף.
במכניקת הקוונטים, מקום מיוחד תופס בתהליך האינטראקציה של פוטונים בודדים עם חומר. טכנולוגיות מודרניות רבות שאנו משתמשים בהן מדי יום עובדות בדיוק בגלל התופעה הזו. עם זאת, עד כה, התיאור שלו נשאר משימה מרתיעה – אחרי הכל, כאשר מתפשט בחלל, האור יכול לקיים אינטראקציה עם הסביבה במספר אינסופי של דרכים.
חוקרים המירו מספר אינסופי של אפשרויות למערכת מוגבלת של אפשרויות. המודל שנוצר מתאר לא רק את האינטראקציה של הפולט עם הפוטון, אלא גם את התפשטות הפוטון לתוך מה שמכונה "השדה הרחוק" – אזור בחלל הממוקם במרחק ניכר ממקור הקרינה. בו, אופי התפשטות הגלים הופך מסודר וצפוי יותר בהשוואה לאזור הקרוב. גלי אור מקבלים צורה קרובה לשטוחה, מה שמאפשר ללמוד בצורה מדויקת יותר את תכונותיהם.
מסתבר שהסביבה שבה מתפשט האור קובעת במידה רבה את התנהגות הפוטונים – צורתם, צבעם והסתברות קיומם. במילים אחרות, צורתו של הפוטון אינה סטטית – היא משתנה באופן דינמי תוך כדי אינטראקציה עם החומר. פרופסור אנג'לה דמטריאדו מסביר : הבנת הדפוסים הללו פותחת את הדרך לשליטה באור ברמה הקוונטית.
תוצאות עבודתם של פיזיקאים בריטים ישמשו במגוון תחומים – ממדע יסוד ועד יצירת חומרים חדשים. ידע בדיוק כיצד אור וחומר מתקשרים יעזור לשפר מערכות תקשורת, ציוד רפואי, ואפילו לשלוט בתגובות כימיות ברמה המולקולרית. נוכל גם לייצר תאים סולאריים יעילים יותר ולקדם את הפיתוח של מחשבים קוונטיים.
מדענים פיתחו טכנולוגיה המאפשרת ליונים – אטומים טעונים – לנוע מהר פי עשרה מאשר במים. תגלית זו, המכונה "הכביש המהיר היוני", עשויה לספק את הבסיס לפתרונות טכנולוגיים חדשים, כולל טעינת סוללות מהירה יותר, חיישנים ביו מתקדמים ורובוטיקה רכה.
ההישג התאפשר הודות לתכנון מולקולרי מדויק. החוקרים השתמשו במולקולות מיוחדות שמרכזות יונים לאורך ננו-תעלות בחומר מוליך. ערוצים כאלה מאפשרים ליונים לנוע ללא הפרעות, מה שמאיץ משמעותית את זרימתם. המנגנון נוצר בהשראת תהליכים טבעיים, במיוחד כיצד תאים מווסתים את זרימת היונים על פני הממברנות שלהם.
כדי ליצור ננו-תעלות, נעשה שימוש במולקולות בעלות תכונות הידרופיליות או הידרופוביות. מולקולות הידרופיליות האיצו את זרימת היונים למהירות שיא, בעוד מולקולות הידרופוביות חסמו לחלוטין את הגישה שלהן. יתרה מכך, תגובות כימיות אפשרו להחליף מולקולות בין מצבים הידרופיליים להידרופוביים, מה שפתח את האפשרות לשלוט בתנועת היונים.
טכנולוגיה זו כבר מצאה יישום ביצירת חיישנים. הם מגיבים לשינויים כימיים כמו זיהום או תגובות ביולוגיות על ידי זיהוי הפרעות בזרימת היונים. זה יכול לשמש לניטור סביבתי, לימוד מערכת העצבים האנושית ומשימות אחרות.
השלב הבא בעבודה יהיה מחקר מעמיק של מנגנוני השליטה בתנועת היונים ושילוב טכנולוגיה זו בתחומים שונים. לִלמוֹד פורסם בכתב העת Advanced Materials.
אלכסנדר אנטיפוב
קישור למקור
