חיישנים אטומיים, בדרך לקריאת מחשבות

כדי להתגבר על הקשיים האלה, החליטו פרופ’ לוי וחבריו ממהמעבדה לננופוטוניקה במחלקה לפיזיקה ישומית והמרכז לננומדע באוניברסיטה העברית, לממש את פונקציית ההתקן האטומי על שבב קטן, ולוותר על הצורך בתנאים קיצוניים ובמידות גדולות כדי להפעילם. המחקר – שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – נמשך מספר שנים. בשלב הראשון הצליחו פרופ’ לוי ואנשי צוותו להראות את הקשר בין אורך גל של אור המוקרן ממכשיר לייזר, וכלוא במוליכי גל ננומטרים, על שבב, לבין ההבדל בין רמות האנרגיה של אטומי רובידיום הנמצאים על השבב. עקרון זה (עירור רמות אנרגיה באטום באמצעות אור) הודגם בעבודה זו, לראשונה, על שבב.

לאחר הישג זה, שבו השתמשו בקרן אור אחת, הוכיחה קבוצת המחקר של פרופ’ לוי כי אפשר להשתמש בקרני אור אחדות, המוקרנות ממספר מכשירי לייזר, דבר שאיפשא להם להעביר מידע בין תדרים שונים. למעשה, צירוף של כמה קרניים מאפשר לשגר אל אטומי הרובידיום אור במגוון אורכי גל.

פרופ’ לוי אומר שיש תחום מסוים של תדרים – שאורכם כ-1,500 ננומטר שהוא התחום שבו נעשה שימוש בתקשורת אופטית (שמשמשת, למשל, את  תקשורת האינטרנט הבין יבשתית). ” אם נוכל להשתמש בכמה פוטונים באורכי גל שונים”, אומר פרופ’ לוי, “נוכל להעביר מידע בין אורכי גל שונים. השימוש בתדרים אלה עשוי לאפשר לנו לבצע באמצעות אופטיקה יישומים רבים שהיום מתבצעים רק בטכנולוגיה אלקטרונית, שכידוע, דוהרת לקראת גבול המזעור, שמתחתיו לא תוכל לרדת”.

וכאן נכנס לפעולה השבב שפותח במעבדתו של לוי. “פיתחנו תהליך ייצור שלם”, הוא אומר, “שמאפשר לנו לירות קרני לייזר לתוך התקנים בקנה מידה קטן של פחות ממיקרון ובהספק קטן, כך שהיא לא תתבדר ותתפזר. כך אפשר  לבצע את התהליך בהספק של ננו-ואטים במקם ואטים שלמים. אנחנו מתחילים עם שבבים הדומים לשבבים אלקטרוניים, ומחברים אליהם תא קטן שאנו שואבים ממנו את האוויר ומכניסים לתוכו אטומי רובידיום. בגודל הממוזער הזה אפשר לייצר בעזרת השבבים הללו חיישנים, למשל מייצבי תדר לתקשורת – בפרט כאלה המתאימים לדור החמישי של התקשורת, שעונים אטומיים, גרביטומטרים (מדי כוח משיכה) וחיישנים של שדות מגנטיים. הרזולוציה המרחבית של ההתקנים האלה כה גבוהה, עד שאם נמקם אלפים מהם על הראש, נוכל למפות את הקרינה הנפלטת מהמוח. יישום אפשרי נוסף הוא רכיב לא לינארי במעבדי בינה מלאכותית. כיום, כשרוצים לפתח מעבד אופטי של בינה מלאכותית, הרכיב הלא לינארי צריך להיות מיושם באלקטרוניקה רגילה והמעבר הזה צורך זמן ואנרגיה. רכיב לא לינארי אופטי יוכל לאפשר לממש יישומי בינה מלאכותית אופטיים במלואם ולכן גם מהירים בהרבה וחסכוניים באנרגיה”.

עם כל ההישגים, פרופ’ לוי מדגיש שבדרך קיימים עדיין אתגרים רבים. פעמים רבות המזעור אמנם מאפשר יתרונות רבים, אך הוא בא על חשבון הדיוק. בתקופה האחרונה הושגה במעבדה פריצת דרך נוספת בתחום, המאפשרת מצד אחד שמירה על עקרונות המזעור והאינטגרציה על שבב, ומצד שני קבלת דיוק מירבי, כזה המתקבל בתאים גדולים. עבודה זו מבוססת על תכנון וייצור של מוליכי גל אופטיים ננומטרים, הממומשים בדרך של “גשרים תלויים”, כלומר, הם עטופים באטומים אלקלים (בעלי אלקטרון אחד בקליפה החיצונית, תכונה המדמה אותם לאטום המימן). מכיוון שמוליכי הגל ה”עטופים” הללו אינם צמודים עוד אל המצע התחתון, הרי שאור אינו יכול לזלוג מהם אל המצע, גם אם מוליכי הגל מוקטנים לקנה מידה קטן בהרבה ביחס לאורך הגל.

השימוש בתצורה מתקדמת זו, איפשר לקבוצת המחקר לקבל שבבים בעלי  ביצועים משופרים ולהדגים ייצוב תדר של לייזר ברמה גבוהה ביותר, כמו גם תהליכי מרובי פוטונים הכוללים המרה של המידע מאורך גל אחד לאורך גל אחר, תוך שמירה על דיוק אטומי.

ומה הלאה? ישנם עדיין אתגרים רבים. בקבוצת הננופוטוניקה שוקדים בימים אלה על המשך ושכלול השבבים, ועל שילובם עם רכיבים נוספים כגון מקורות אור, גלאי אור ומאפנני אור, במטרה ליצור פלטפורמה שלמה של חישה קוונטית מדויקת בקנה מידה ננומטרי. המדענים מקווים שבשיתוף עם קבוצת מחקר חדשה בהובלתו של ד”ר לירון שטרן שהיה שותף לפיתוח המקורי של הטכנולוגיה, יוכלו השבבים האלה להשתלב במערכות מדויקות המבוססות על טכנולוגיה חדשנית של מסרקי תדר על שבב.