לייזרים הינם כלים רבי עוצמה, ובעלי שימושים רבים. בניגוד למקור אור רגיל, הלייזר פולט אור קוהרנטי, ובעל צבע אחד (מונוכרומאטי), כלומר אורך גל אחד. לצד שיפור הלייזרים הקיימים, קיים ניסיון רב להקטין את הלייזרים עד לגודל של עשרות/מאות ננו-מטרים בלבד. אם אכן יצליחו המדענים לייצר ננו-לייזרים שכאלו, יהיו להם שימושים רבים. ניתן יהיה להרכיבם על גבי מעגלים חשמליים, ובכל ליצור מעגלים אלקטרו-אופטימיים בעלי ביצועיים מתקדמים ביותר. ניתן יהיה להשתמש בהם לשם בנית חיישנים אשר יאתרו גורמים קטנים כמולקולה ועוד ועוד ועוד.
לייזרים בסיסים מורכבים ממהוד אופטי, כלומר תווך בו האור נע כמעט מבלי אפשרות לחמוק ממנו, כאשר האחוזים הבודדים מן האור אשר חומקים החוצה חומקים דרך פתח אשר מיועד לכך, וזהו האור אשר נפלט מן הלייזר. ומתווך מגביר. תווך זה יושב בתוך המהוד, וכאשר קרן האור חוצה אותו הוא מגביר את עוצמתה, כך קרן האור הולכת ומתחזקת, והאחוזים הבודדים מן האנרגיה שלה אשר נפלטים החוצה מן המהוד, יוצרים קרן לייזר עוצמתית.
כמובן שאנרגיה לא נוצרת יש מעין בתהליך זה, יש לספק אנגריה לתווך המגביר, הוא פולט אנרגיה זו בתור פוטונים, המתואמים בדיוק עם קרן הלייזר אשר נמצאת בתוך המהוד האופטי, וכך על ידי הוספת עוד ועוד פוטונים לקרן זו מתגברת עוצמתה של קרן הלייזר.
על מנת להקטין את הלייזר, יש להקטין את גודלו של המהוד האופטי, אולם לא ניתן לעשות זאת ללא הגבלה. המגבלה על גודלו של המהוד נובעת מתכונה הנקראת "גבול הדיפרקציה". בקווים כללים תכונה זו אומרת כי לא ניתן לרכז אור לנקודה הקטנה ממחצית אורך הגל שלו. עבור אור נראה, המשמעות היא כי לא ניתן ליצור מהוד אופטי רגיל, אשר אורכו קטן ממאות ננו-מטרים.
לאחרונה הצליחו שתי קבוצות מדענים להתגבר, לפחות באופן ראשוני על בעיה זו, באמצעות שימוש בתכונה מיוחדת אלקטרונים במתכות. אלקטרונים אלו יכולים לנוע באופן קולקטיבי על גבי פני השטח של המתכת. תנועה זו הינה תנועה גלית, בעלת תדר מוגדר, ולמעשה תנועת האלקטרונים מייצרת גל אלקטרומגנטי, אשר במקום לנוע בחופשיות בחלל, הוא מוגבל לפני השטח של המתכת.
כפי שניתן לתאר גל אלקטרומגנטי רגיל באמצעות "חלקיקים", הפוטונים, את הגל אשר תואר לעיל ניתן לתאר גם כן באמצעות חלקיקים שכאלו המכונים "פלזומנים". הרעיון של המדענים היה ליצור לייזר, אשר בו הפלזמונים יחליפו את תפקיד הפוטונים בלייזר הרגיל. לייזר שכזה יכונה ספייסר (Spacer –Surface (Plasmon Amplification by Stimulated Emission
הספיסר יורכב גם הוא ממהוד עבור הפלזמונים, אשר במקרה זה מדובר פשוט במתכת, וכן החוקרים יאלצו למצוא תווך אשר יפלוט פלזמונים בצורה מתואמת, כפי שהתווך המגביר פלט פוטונים בלייזר המתאים. לאחר שתיווצר קרן חזקה של פלזמונים על גבי המתכת,
לספייסר יהיו שני יתרונות חשובים, אשר שילובים יאפשר את יצירתם של ננו-לייזרים:
א) גודלו של המהוד אינו מוגבל, כל חלקיק מתכת, קטן ביותר יכול לשמש כמהוד עבוד הפלזמונים
ב) ניתן לצמד, באופן קוהרנטי את הפלזמונים שעל גבי המתכת לפוטונים חופשיים בחלל, כלומר לאחר שתיווצר קרן פלזמונים, ניתן לגרום לכך שהיא תיפלט לחלל האוויר בתור קרן לייזר "רגילה" של פוטונים.
הבעיה המרכזית ממנה סבלה טכנולוגיה זו עד היום, הייתה איבודי אנרגיה. בניגוד למהודים האופטיים אותם כאמור מייצרים היום באיכות כה טובה עד שהם כמעט אינם מאבדים אנרגיה, במהודים המתכתיים, אחוז גבוה מן האנרגיה של הפלזמונים נאבדת ואינה מנוצלת לשם יצירת קרן הלייזר. כל עוד שאיבוד זה עולה על יכולת ההגברה של התווך המגביר, לא ניתן לייצר לייזר.
כאמור לעיל שתי פריצות דרך נעשו לאחרונה בתחום, בשתי שיטות טכנולוגיות שונות.
בשיטה הראשונה לקחו מדענים ננו-חלקיקי זהב, בקוטר של כ14 ננו-מטרים בודדים, וציפו אותם בסיליקון (עד שהגיעו לקוטר של כ44 ננו-מטרים) ובתוכו מולקולה אורגנית. החוקרים האירו אור על המולקולה האורגנית, וזו בתגובה פלטה, באופן קוהרנטי פלזמונים לתוך המתכת. כלומר אם נחזור לתיאור של הספייסר. המולקולה האורגנית היתה התווך המגביר, ואילו ננו-חלקיקי הזהב שימשו בתוך המהוד.
לבסוף נפלטה חלק מן האנרגיה של הפלזמונים לחלל האוויר כקרן לייזר באורך גל נראה של 519 ננו-מטרים, יותר מפי 10 מגודלו של המהוד.
השיטה השנייה בה יוצר ננו-לייזר הוא באמצעות מוליך למחצה, חד ממדי, כלומר בצורת חוט דק מאוד, בעובי מספר ננו-מטרים, אשר הונח על גבי מצע מכסף, כאשר בין השניים מפריד מבודד דק. המוליך למחצה שימש כתווך המגביר, אור הואר עליו, והוא פלט פלזמונים אל תוך מצע הכסף, אשר מאוחר יותר נפלטו כקרן לייזר באור נראה בעל אורך גל של 489 ננו-מטרים, אולם קרן הלייזר התמקדה לנקודה בגודל 25 ננו-מטרים, הקטנה פי 20 קטן מאורך הגל.
שתי שיטות שונות אלו, פותחות את הפתח להפיכתם של ננו-לייזרים מחלום למציאות. אם אכן ניתן יהיה להגיע לייצור תעשייתי של כלים אלו, הם צפויים לקחת חלק חשוב בטכנולוגית העתיד.
בתמונה מצד ימין, השיטה הראשונה בה חלקיק זהב מצופה בסיליקון המכיל מולקולות אורגניות. בתמונה מצד שמאל השיטה השניה בה ננו-חוט מונח על גבי מצע כסף
בבליוגרפיה
F.J Garcia-Vidal, E. Moreno, Nature 461, 604-605(2009)
Noginov, M.A. et al. Nature 460,1110-1112(2009)
Oulton, R.F. et al Nature 461, 629-632(2009)
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיזיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
