דימות וגילוי מרחוק ע"י גלי טרה-הרץ יאפשרו זיהוי של חומרי נפץ, תרופות מזוייפות ואף שליטה במולקולות

החודש התפרסם מאמר פורץ דרך של פרופ' טל אלנבוגן, מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל וראש המעבדה לננו אלקטרואופטיקה, יחד עם חוקרים נוספים מאוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בראון בארה"ב, בתחום של יצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים בעיתון היוקרתי  Nature Communications.

גלי טרה-הרץ

גל אלקטרומגנטי הוא למעשה "הפרעה" של שדה חשמלי ומגנטי בעלת מחזוריות ומבנה גלי המתפשטת במרחב במהירות האור. גלים אלקטרומגנטיים, כמו גלי רדיו, מגיעים בתחום רחב של תדירויות המכונה הספקטרום האלקטרומגנטי (כלומר אוסף כל הגלים האלקטרומגנטיים). ספקטרום זה משתרע מגלי הרדיו בעלי תדירויות נמוכות ועד לגלי גאמה (קרינה בתדירות גבוהה מזו של X-ray). האור הנראה, התדירויות אותן בני האדם יכולים לראות, הוא רק חלק קטן מכל התחום של גלים אלקטרומגנטיים. 

כיום קיימים אמצעים מדעיים וטכנולוגיים כגון אנטנות, מנורות, לייזרים וגלאים המאפשרים להפיק ולקלוט גלים על פני כמעט כל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי. אמצעים אלו מאפשרים אינספור של ישומים כמעט בכל תחומי המדע והטכנולוגיה הקיימים מתקשורת, דימות, זיהוי עצמים עד לאבחון רפואי. לעומת זאת תחום גלי הטרה-הרץ, המתנדנדים בתדירויות הנמצאות בין גלי מיקרו לאור האינפרא אדום, נותר באפלה. הסיבה היא מכיוון שתדירויות אלו מהירות מידי ליצירה וקליטה בעזרת מעגלים חשמליים ובעלות אנרגיות נמוכות מידי ליצירה וקליטה באמצעים המשמשים ליצירה וקליטה של אור. אמנם קיימים מספר אמצעים ליצירה ולקליטה של קרינת טרה-הרץ, אך אלו מוגבלים ביכולת השליטה בתדירויות ובעוצמות שלהם, או מצריכים תנאי הפעלה קיצוניים כגון טמפרטורות נמוכות מאוד. בנוסף, קיימים רק כלים מעטים לעיצוב קרני טרה-הרץ כמו עדשות או מקטבים. למרות הקושי בעבודה עם קרינת טרה-הרץ, מאמצים רבים מושקעים בפיתוח רכיבים יעילים לתחום תדירויות זה עקב מגוון של שימושים חשובים של קרינת טרה-הרץ. מערכות המשתמשות בקרינת טרה-הרץ יפתחו את הדלת לזיהוי ואף שליטה במולקולות, זיהוי של תרופות אמת או תרופות מזויפות, דימות רפואי בקרינה שאינה מייננת, גילוי חומרי נפץ, חומרי ריסוס, יצירת תקשורת נתונים מהירה ועוד מגוון רחב של יישומים חשובים.

יצירה עיצוב ושליטה בקרני טרה-הרץ על ידי מטא-משטחים אופטיים

מחקר חדש שבוצע על ידי הסטודנטים שי קרן צור ומאי טל מהקבוצה של פרופ' טל אלנבוגן מבית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם ד"ר שר-לי פליישר מבית ספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב ופרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון שבארה"ב, מראה כיצד ניתן להשתמש במשטחים דקים (בעובי עשרות ננומטרים) המכונים מטא-משטחים אופטיים, ליצירה יעילה של קרינה בתחום הטרה-הרץ ולעיצוב ושליטה בקרינה.

המשטחים בנויים מאלמנטים בסקאלה ננומטרית, שיוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב. כל אלמנט כזה משמש כננואנטנה הקולטת אור מלייזר בתחום האיפרא-אדום בעל פולסים קצרים באורך של פמטו-שניות ומייצרת ביעילות יחסית פולסים של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח החוקרים מראים שניתן לעצב את צורתו המרחבית והזמנית של פולס הטרה-הרץ שנוצר בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה. היכולת הזו פותחת פתח למגוון רחב של יישומים חדשים לקרינת טרה-הרץ.

החוקרים מאמינים שבעתיד יהיה ניתן לשלב מקורות חדשים כאלו במערכות גילוי ואפיון חומרים, רכיבים, תרופות ובמערכות דימות טרה-הרץ רפואיים.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון