הדמיית מנהור קוונטי באמצעות גלים אקוסטיים
תחומים:
בחר הכל
משפטים
כללי
הנדסה
חיי הקמפוס
ASV
מערכות קוונטיות
תחבורה חכמה
רכב אוטונומי
קול קורא
מכונת הנשמה
COVID-19
מטא-חומרים...
הנדסת חשמל
הנדסה מכנית
אולטרה-סגול
אולטרה-סגול
RoboBoat
MRI
קטגוריות:
בחר הכל
פרס
ברכות
כנס
מחקר
מחקר בפקולטה
פוקוס
חדשות
NEWS
מה מעניין אותך?
מחקר
06.07.2022
מנהור של גלי קול
- מחקר
- הנדסה מכנית
מחקר חדש של המעבדה לבקרה אקטיבית של גלים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, מוכיח לראשונה שהתופעה הקוונטית "מנהור קליין" Klein tunneling, המתארת מעבר פרדוקסאלי של חלקיק דרך מחסום פוטנציאל, ניתנת להקבלה מדויקת במערכת קלאסית, דוגמת התפשטות גלי קול.
מנהור הינו יכולת חריגה ולא-אינטואיטיבית של חלקיקים/גלים לחצות פערים, מחסומים או ממשקים, למרות שהמעבר הזה אסור במובן מסוים משיקולים דינאמיים או אנרגטיים. מימוש אנאלוגיה קלאסית של תכונה זו מציע יכולות חדשות ומעניינות בהנחיית גלים במערכות אלקטרומגנטיות, אקוסטיות, אלסטיות ועוד. המחקר נערך בהובלת ד"ר לאה ביילקין-סירוטה מביה"ס להנדסת מכנית, ופורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Applied.
הדמיית תופעות קוונטיות במערכות קלאסיות – האם זה אפשרי?
לתופעות של מכניקה קוונטית חוקים משלהן, שונים מאלו המוכרים לנו במערכות קלאסיות, כגון גלי קול. אך האם נוכל בכל זאת "לראות" או "לשמוע" תופעה קוונטית? מסתבר שלפעמים זה אפשרי, הודות להקבלה שקיימת בין מבנה פסים האלקטרוני של החומר לבין פיזור תדרים (דיספרסיה) אקוסטיים למשל. דוגמא בולטת הינה חיקוי אקוסטי של תופעות קוונטיות טופולוגיות, מה שמאפשר התפשטות של גלי קול צרים דמויי אלומה שיכולים להיות גם חד-כיווניים, וכן חסינות מלאה מפני החזרה מפינות, כיפופים ופגמים מבניים שונים. בעבודה זו ניסינו להבין האם באופן דומה קיימת אנאלוגיה מדויקת לתופעת המנהור הקוונטי.
מהו מנהור קליין?
הסיפור מתחיל מפרדוקס קליין, שהתגלה על ידי הפיזיקאי הנודע אוסקר קליין לפני כמאה שנה. זוהי תופעה קוונטית המנבאת העברה מושלמת של חלקיקים יחסותיים (הנעים במהירות האור) דרך מחסום אנרגיה שהינו גבוה מהאנרגיה של החלקיקים. הפרדוקס הוא בכך שהחלקיקים יכולים לעבור ללא הפרעה דרך המחסום ללא תלות בגובהו ורוחבו. עם השנים נמצא הסבר לפרדוקס, והתופעה הפכה לתרגיל סטנדרטי בספרי הלימוד. אולם, הפרדוקס חזר למוקד העניינים לפני כ15 שנה, כאשר הפיזיקאים הנודעים אנדרה גיים, קונסטנטין נובוסיולוב ומיכאיל קצנלסון הראו כי באופן מפתיע, תופעה דומה הנקראת מנהור קליין נתמכת במעבר אלקטרונים בגרפן (שכבה בודדה של סריג פחמן) בין שני אזורים הנבדלים זה מזה בפוטנציאל אלקטרוסטטי. עיקרון המנהור בגרפן מתבסס על המבנה הדו-רכיבי המצומד של פונקציות הגל שלו. מבנה זה הוא שמאפשר את מעבר האלקטרון לאזור הפוטנציאל הגבוה במעבר מושלם ללא החזרה בפגיעה ניצבת והחזרה חלקית בפגיעה בזווית.
הכוונת גלי קול על פי חוקי מנהור קליין
בעבודה שלנו הראינו שהתפשטות גלים הדומה למנהור קליין יכולה להתרחש במערכות קלאסיות, ולמרבה הפלא, גם מבלי להסתמך על חיקוי המבנה של פונקציית הגל של גרפן והדיספרסיה הנלווית לו. במקום זאת, הצענו מנגנון שדורש צורה מסוימת של פרמטרים המגדירים את התווך (במקרה האקוסטי אלו הם צפיפות המסה ומודול הנפח), כך שבתחום התדרים בו מתרחשת הדמיית המנהור הפרמטרים מקבלים ערכים שליליים. למעשה, האנלוגיה של הפוטנציאל מתקבלת כגבול בין תווך 'חיובי' לתווך 'שלילי'. תווך כזה אינו קיים בחומרים בטבע, אך ניתן לקבלו באופן אפקטיבי באמצעות חומרים מהונדסים (מטא-חומרים). תווך כזה פופולארי מאוד במחקר של מטא-חומרים, שכן הוא מאפשר תכונות חומר לא קונבנצוינאליות, כגון מקדם שבירה שלילי, ועוד. למעשה, הראינו לראשונה קשר ישיר בין מושג התווך השלילי לאנאלוגיה קלאסית של תופעת מנהור קליין, וקיבלנו תכונות העברה זהות לתכונות הקוונטיות. תוצאה זו המחשנו באמצעות מנהור דו-מימדי של גלי קול במטא-חומר אקוסטי הבנוי מתבנית מחזורית של ממברנות וצינוריות המתפקדות כמתנדים. בנוסף, הראינו כי על ידי הכלה של חוסר איזוטרופיה (כיווניות בתכונות) במטא-חומר ניתן לקבל העברה מושלמת לכל זווית פגיעה, תוך שמירה על רוב תכונות המנהור המקוריות. קראנו לתופעה החדשה "מנהור כלל כיווני".
אנלוגיה אקוסטית של מנהור קליין.
משמאל לימין: חלקיק חוצה מחסום פוטנציאל, מנהור קליין בגרפן, מטא-חומר אקוסטי המדמה אנלוגיה קלאסית של האפקט, תגובה דינמית של שדה לחץ אקוסטי במטא-חומר, פרופיל דיספרסיה של התווך האפקטיבי במטא-חומר.
קצת עלינו
בקבוצה שלנו אנו חוקרים כיצד ניתן לקבל תווך עם תכונות רצויות של התפשטות גלים המוכתבות על ידי המשתמש ומתאימות את עצמן לשינויים בזמן אמת בסביבת הפעולה, כגון שינוי בתדר הגל המתקדם, שינוי באימפדנס, שינוי בתנאי השפה, וכ"ו. לצורך כך, על פי רוב אנו מתכננים מטא-חומרים מכאניים/אקוסטיים מבוססי בקרה, בהם כוחות חיצוניים מופעלים על מבנה בסיסי פשוט (באמצעות הטמעת מתמרים אלקטרוניים) בהתאם לפלט של בקרים מתוכנתים שמבוססים על מדידות של תגובת המבנה. פעולה זו מאפשרת לתקן את תגובת המבנה בזמן אמת ולהתאים אותה לסביבה המשתנה. היישומים שלנו הם הנחיית גלים בהשראת תופעות מפיזיקה קוונטית, הסוואת חתימה אקוסטית, הדמיית סביבה אקוסטית מדומה, ועוד. אנו מזמינים סטודנטים מצטיינים לעבוד יחד איתנו ולחקור את העולם המרתק של בקרת התפשטות גלים.
לפרטים נוספים בקרו באתר המעבדה
מחקר
28.03.2022
איך נוצרים גלים בים?
חוקרים וחוקרות מהנדסה מכנית פיצחו תעלומה המדעית
- מחקר
- הנדסת חשמל
- הנדסה מכנית
בתמונה מימין לשמאל: ד"ר מיטל גבע ופרופ' לב שמר
אחת מתופעות הטבע הנפוצות והמוכרות ביותר היא היווצרות של גלי ים על ידי רוחות ומשבי אוויר. אלא שמתברר, כי על אף שהתופעה מוכרת מאז ומתמיד, ובהינתן שהמדע המודרני מנסה כ-150 שנה להבין לעומק את המנגנון המוביל לתופעה, עד היום לא נמצא עדיין המודל המתמטי המושלם שיתאר את התהליך במלואו ויאומת בניסוי.
פרופ' לב שמר וד"ר מיטל גבע ממעבדת גלי המים בבית הספר להנדסה מכנית מאוניברסיטת תל אביב פיתחו מודל תאורטי חדשני וראשון מסוגו אשר שופך אור על התעלומה. המודל נועד להסביר את תהליך יצירת הגלים, והוא נבחן בסדרת ניסויים מורכבים שבוצעו לאורך תקופה ארוכה. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.
ד"ר גבע מסבירה: "התפתחות גלי רוח על פני המים היא תופעה מורכבת. אחת הסיבות להיעדר תאוריה כוללת של התהליך נובעת ממחסור בתוצאות ניסיוניות מפורטות – מדידות שדה גלים ורוח בים מוגבלות מאוד, בעיקר בשל חוסר היכולת לשלוט בתנאי הסביבה וקושי לבצע ניסויים בים הפתוח, אפילו בקרבת החוף. במעבדת הגלים בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב קיימת מערכת ניסוי ייחודית ואוטונומית לבחינת האינטראקציה בין המים לרוח, ומערכת זו מאפשרת איסוף של מידע מקיף על ההתנהגות במרחב ובזמן של פני המים תחת משטרי רוח שונים".
גלים מכניים ובכלל זה גלי מים, ניתנים לתיאור על ידי אוסף של תדירויות, ממש כפי שניתן לפרוט מנגינה לתווים והרמוניות. המודלים הנפוצים ביותר כיום מתחשבים בגידול של הרמוניה בודדת, הבלתי יציבה ביותר, ומניחים שההתפתחות המרחבית שלה אחידה. המודל החדש שמציעים החוקרים מתחשב בכל ההרמוניות הבלתי יציבות ובמגבלות החלות עליהן – בהן מגבלת שבירה של הרמוניות תלולות מאוד, דעיכה הדרגתית כתוצאה מהסתרה של הרמוניות נמוכות ע"י גלים גבוהים יותר ומגבלת זמן התפתחות מרחבי. בכך, התאוריה החדשה מאפשרת לתאר את הסיטואציה הפיזיקלית באמינות גבוהה, בהשוואה למודלים הקודמים.
החוקרים מוסיפים כי הקושי התאורטי שהיה קיים בפיתוח מודל שלם נובע מכך שבמים נוצרות צורות ותבניות דינמיות סבוכות המגיבות אחת עם השנייה ומאופיינות במידה רבה של אקראיות בזמן ובמרחב התלת ממדי. כמו כן מעורבים בבעיה שלל כוחות מכניים כמו כבידה, צמיגות ומתח פנים, ויש לקחת בחשבון את מעברי האנרגיה והתנע בין האוויר למים – סוגיה לא טריוויאלית כלל במכניקת הזורמים. הבעייתיות המובנית בתורות הקודמות, ששימשו את החוקרים בתחום זה במשך כ-65 שנה, נובעת מההנחות הרבות עליהן הן התבססו וחוסר היכולת שלהן להתממש בצורה כמותית, מה שהגביל עד מאוד את יכולת החיזוי הפיזיקלית.
ד"ר גבע מפרטת לגבי המודל החדש ויישומיו: "במחקר זה אנחנו משתמשים לראשונה במשוואות מדויקות ובשיטות מקובלות מתחום המכניקה סטטיסטית על מנת לנתח את התהליכים האקראיים והלא-ליניאריים שמתרחשים בעת היווצרות הגלים. למעשה, המודל המוצע הוא היחיד שמאפשר תיאור בזמן ובמרחב של שדה הגלים החל ממצב של פני מים חלקים ועד למצב סופי הקבוע בזמן, וחשוב מכל – זהו המודל הראשון שאומת באופן מלא מול תוצאות ניסיוניות ומתאר את התהליך לא רק איכותית, אלא גם כמותית.
היווצרות גלי רוח היא תוצאה של אינטראקציה הדדית בין האוקיינוס לאטמוספירה ולכן לתהליך השפעה מכרעת על מעבר מסה, תנע ואנרגיה בממשק פני המים. בהתבסס על כך, אנו סבורים כי התיאור המוצע הוא צעד חשוב בשיפור במודלים לחיזוי מזג אויר בטווח קצר ושינוי אקלימי בטווחי זמנים ארוכים יותר. כמו כן, הבנת האינטראקציה תאפשר הערכה של תנאי סביבה המשפיעים על החיים בים ויכולת ניבוי של תנועת מזהמים על פני המים. עם המסקנות מהמחקר ניתן ללכת צעד אחד קדימה בתחומים הללו, שחשיבותם הולכת וגוברת בעידן משבר האקלים בו אנו חיים. מעבר לכך, תמיד נהדר לפתור תעלומות במדע ואנחנו שמחים על התוצאות".
יצוין כי מעבדת גלי המים בראשות פרופ' לב שמר משמשת מזה שנים גם לאימות של מודלים מתחומי דעת נוספים בהנדסה ובפיזיקה, בהן מספר תגליות חדשות שפורסמו לאחרונה כגון מיקוד חושך בדומה למיקור קרני אור, וכן מוליך גלים מסוג חדש, שתיהן פרי עבודתו של פרופ' עדי אריה מביה"ס להנדסת חשמל.
מחקר
01.03.2022
חוקרים הראו כי ניתן למקד חושך בדיוק כפי שניתן למקד אור
רתימת התופעה תאפשר פיתוחים טכנולוגיים בתחומי האקוסטיקה והאופטיקה
- מחקר
- הנדסת חשמל
- הנדסה מכנית
בתמונה מימין לשמאל: פרופ' עדי אריה, פרופ' וולפגאנג שלייך והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן
מחקר חדש של הפקולטה להנדסה בשיתוף עם אוניברסיטאות בארצות הברית ובגרמניה וכן מכון החלל הגרמני (DLR), מראה לראשונה כי ניתן "למקד חושך", כלומר לרכז גלים לנקודה אחת במרחב שבה תתקבל עוצמת אור מינימלית. זאת בצורה אנלוגית למיקוד המוכר (למשל ע"י עדשות או מראות כדוריות) שבסופו מתקבלת נקודת אור בוהקת.
החוקרים מאחורי המחקר
פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר.
בנוסף, החוקרים מאוניברסיטת אולם ומכון החלל הגרמני הם ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך והחוקר מאצות הברית הוא פרופ׳ וויליאם קייס. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול.
שהיה של הגל
גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה המוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה אף היא במעבדתו של פרופ' אריה יחד עם חלק מהשותפים למחקר החדש, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, מראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה – כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.
הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מסביר: "מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור העובר דרך עדשה, וכאן ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב. התופעה שגילינו בניסוי וגם חקרנו באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר, מקבלים מינימום של עצמה בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."
במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד. רוזנמן מוסיף ואומר כי "הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים".
רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "במעבדתו של פרופ' לב שמר, יצרנו מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".
החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו והסבירו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי יתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. רוזנמן מסכם: "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות".
המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B
אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון
