מטא-מהפכה: חוקרים יצרו לראשונה מבנה חדשני ששולט בגלי אור ורדיו

היכולת לשלוט בדיוק בצורה שבה גלי אור וגלי רדיו מתפשטים, נשברים או משתנים היא הבסיס לטכנולוגיות כמו תקשורת אלחוטית, חיישנים מתקדמים, ועדשות חכמות. משטחים חדשניים שנקראים מטא-משטחים מאפשרים שליטה כזו, ופותחים פתח למהפכות בתחומים כמו תקשורת מהירה (5G ו-6G), מכשור רפואי מתקדם, טכנולוגיות הסוואה ואפילו מחשוב מבוסס אור. היתרון הגדול של מטא-משטחים הוא ביכולת שלהם להשתלב בקלות במערכות מורכבות, תוך חיסכון במקום ובאנרגיה.

במחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב בשיתוף עם רפאל, פותחה גישה חדשנית לתכנון מבנים כאלה. לראשונה, הצליחו החוקרים ליצור ולמדוד מבנה מחזורי המבוסס על חוטים בצורת קשרים מורכבים – תצורה שעד כה נחקרה רק ברמה התיאורטית. במילים פשוטות, מדובר בלולאות חוטים קטנטנות שמעוצבות כמו קשרים (knots), בדומה ללולאה מורכבת של חוט – והן חוזרות על עצמן במשטח. הייחוד של מבנים אלה הוא בכך שהם יוצרים קשר הדוק בין השפעות חשמליות למגנטיות – תכונה חיונית לשליטה בגלים אלקטרומגנטיים כמו אור ורדיו. החוקרים מצאו כי בזכות המבנה המיוחד, אפשר לתכנן את המשטח לפי עקרונות פשוטים יחסית – בלי צורך בחישובים מסובכים – ועדיין להשיג שליטה מדויקת בגלים שפוגעים בו.

^{מטא-משטח שהודפס בתלת ממד}

מה הקשר

המחקר נערך בהובלת נדב גושן, תלמיד מחקר, בהנחיית ד"ר ירדן מזור מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים. המחקר מומן בחלקו על ידי קרן המו"פ האקדמית של רפאל, ופורסם לאחרונה בכתב העת המדעי היוקרתי Science Advances.

מטא-משטחים הם מבנים דו-ממדיים או תלת-ממדיים המורכבים ממערך מחזורי של תאי יחידה קטנים מאורך הגל. במקרה שלנו תאי היחידה (החוזרים באופן מחזורי, דו-ממדי), מורכבים מלולאות חוטים היוצרות חלקיקים קטנים בצורה של toroidal knots, כלומר חוטים המוגדרים על פני השטח של טבעת דמיונית, ו"מתלפפים" סביבה מספר פעמים. לחלקיקים אלו יש מבנה כיראלי – הם לא זהים לתמונת הראי שלהם (כמו כפות ידינו). מבנה מיוחד זה מאפשר לחבר בין התגובה החשמלית והתגובה המגנטית של כל חלקיק, וכך משפיע גם על ההתנהגות הכוללת של המטא-משטח (תרשים, מימין. משטח שיוצר באמצעות טכנולוגיית הדפסה משולבת של חברת NanoDimension).

במסגרת המחקר, ייצרו החוקרים חלקיקים בצורת קשר טופולוגי מסוג Trefoil – קשר תלת-ממדי מתוחכם – באמצעות הדפסת תלת-ממד הכוללת חוט כסף מוליך בתוך חומר פלסטי מבודד. המבנה הזה איפשר רמת שליטה גבוהה בכיוון ובאופי של הגל שעובר דרך המשטח, תוך כמעט ביטול מלא של הגלים החוזרים ממנו – הישג מרשים שהודגם בניסוי והותאם לתחזיות ממודל ממוחשב.

בהמשך, פיתחו החוקרים גרסה "שטוחה" של אותו חלקיק, בטכנולוגיה של מעגלים מודפסים (PCB), והראו שגם בצורה הפשוטה יותר – המבנה שומר על תכונותיו. משמעות הדבר היא שהאפקט הרצוי נובע מהתכונות הבסיסיות של הקשר עצמו – ולא רק מהצורה הספציפית שלו.

שכבה אחת, תגובה כפולה

"הצלחנו ליצור משטח שמבוסס על שכבה אחת בלבד – במקום על כמה שכבות, כפי שנהוג עד כה – ובכל זאת לשלב בו תגובה חשמלית ומגנטית מתואמת. זהו יתרון משמעותי בפיתוח טכנולוגיות עתידיות", מסביר ד"ר מזור מסביר.

"שיתוף הפעולה בין האקדמיה לתעשייה הוא חיוני לחדשנות אמיתית. שותפות ארוכת שנים עם אוניברסיטת תל אביב מאפשרת לנו לפתח היום את טכנולוגיות המחר – תוך שילוב של מצוינות מדעית ויישום בשטח", מדגישה ד"ר יהודית הוכרמן-פרומר, סמנכ"לית בכירה למחקר ופיתוח ברפאל.

לסיכום, המחקר מציע דרך חדשה, פשוטה יותר ויעילה יותר לתכנון מבנים מתקדמים המגיבים לאור ולגלים – ופותח פתח ליישומים חדשניים בתחומים כמו אופטיקה, תקשורת קוונטית וגלים מילימטריים.