מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
מאסטר-טראק
מחקר
אקדמיה ותעשייה
בוגרים ובוגרות
הנדסת חשמל
הנדסת סביבה
הנדסת מערכות
הנדסת תעשייה
הנדסה מכנית
הנדסה ביו-רפואית
הנדסה ורוח
מדע והנדסה של חומרים
מדעים דיגיטליים להיי-טק
מכון שלמה שמלצר לתחבורה חכמה
תוכנית המצטיינים
פרסים
זכיות
דרוגים
 פרופ' קובי שויער ופרופ' פבל גינזבורג

מחקר

26.04.2022
טכנולוגיה חדישה לביטול החזרת גלי אור ממשטחים

בהובלת חוקרים מהנדסת חשמל ובשיתוף עם ד"ר דמיטרי פילונוב מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

 

מחקר חדש בהובלת חוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן מציע שיטה חדשנית לביטול החזרת גלי אור ממשטחים, אשר מונעת החזרה של טווח רחב של אורכי גל או תדרים. לשיטה זו עשויים להיות יישומים רבים, החל משיפור יעילותן של מערכות אופטיות וכלה בפיתוח מטוסים וכלי רכב חמקנים.

 

המחקר נערך בהובלת פרופ' קובי שויער ופרופ' פבל גינזבורג מביה"ס להנדסת חשמל, בשיתוף עם ד"ר דמיטרי פילונוב מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה, ופורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Optics Express.

 

כאשר קרן אור עוברת מתווך אחד לשני, גם אם שניהם שקופים (כגון מאוויר לזכוכית), חלק מעוצמת האור מוחזר וחלק עובר. תופעה זו, אשר מתבטאת למשל בהשתקפות שאנו רואים כאשר מסתכלים החוצה בשעות החשיכה מחדר מואר דרך החלון, היא תופעה כללית של התפשטות גלים וקיימת גם בגלי רדיו, מיקרוגל, גלי קול, גלי לחץ, ואף בפונקציות הגל המתארות חלקיקים קוונטיים.

 

(צילום: מתוך המחקר)

 

פרופ' שויער מסביר: "תופעת ההחזרה החלקית נובעת מכך שלתווכים שונים תכונות אופטיות שונות. כך למשל, ההחזרה החלקית מזגוגית החלון נובעת מכך שמהירות האור באוויר ובזכוכית הן שונות – האור מתקדם לאט יותר בזכוכית. תופעת ההד שאנו שומעים בקרבת מצוקים, נובעת מסיבה דומה – גלי הקול יכולים להתקדם בקלות בחומרים מוצקים, במהירות גבוהה יותר מאשר מהירותם באוויר. ההבדל בין מהירות הקול באוויר ובסלע גורם להחזרה חלקית של גלי הקול והוא זה שיוצר את ההד".

 

במקרים רבים, מציינים החוקרים, תופעת ההחזרה החלקית מהווה גורם מפריע. במערכות תצפית ואופטיקה מורכבות כגון מיקרוסקופ, תופעת ההחזרה החלקית עלולה לגרום להפחתה דרמטית בעוצמת האור המגיעה לעין האנושית או לגלאי, ובכך לפגיעה משמעותית בביצועי המערכת. כדי להעניק פתרון לתופעת ההחזר החלקית על פני טווח תדירויות רחב, החוקרים ניגשו לבעיה מכיוון שונה לחלוטין.

 

פרופ' שויער מרחיב: "באופן כללי, על מנת להפחית את תופעת ההחזרה החלקית ניתן להשתמש ב'ציפוי נגד החזרות' (anti-reflection coating). ציפוי זה מתפקד כמהוד (באנגלית resonator) הגורם להתאבכות בונה של האור בכיוון ההתקדמות ולהתאבכות הורסת לאחור, וכך מידת ההחזרה פוחתת. ציפויים מסוג זה ניתן למצוא במגוון רחב של מערכות אופטיות ואקוסטיות, ואפילו במשקפי ראייה. החיסרון העיקרי של השיטה הוא יעילותה המוגבלת, אשר מתאימה לתדר יחיד, זהו תדר התהודה".

 

במערכות הנדרשות לטפל בטווח של אורכי גל או תדרים, לדוגמה משקפי ראייה או מיקרוסקופ, השיטה הקיימת אינה מבטלת לחלוטין את ההחזרה החלקית של האור. עקרונית, ניתן להרחיב את השיטה לטיפול בטווח של אורכי גל או תדרים, וזאת ע"י הרכבת ציפוי שכולל מספר שכבות מחומרים ועוביים שונים, אך בפועל קשה מאוד לתכנן ציפויים מרובי שכבות מכיוון שנדרשת אופטימיזציה מסובכת של עובי השכבות ותכונותיהן.

 

על מנת להתגבר על מגבלת היעילות בשיטות הקיימות, פיתחו החוקרים התקן המכונה "מהוד לאור לבן". פרופ' שויער: "בניגוד למהודים רגילים, המאופיינים ע"י מספר מסוים ומוגבל של תדרי תהודה, המהוד החדש מסוגל להגיב לטווח רציף של תדרים. הרעיון שמאחורי השיטה החדשה הוא שימוש בתכונות הייחודיות של המהוד לאור לבן על מנת ליצור התאבכות הורסת של הגלים המוחזרים על פני כל טווח התהודה של המהוד ובאופן זה לבטלם. מימוש המהוד המיוחד מתאפשר הודות לשילוב של מספר שכבות בעלות תכונות אופטיות שונות, אלא שבניגוד לגישה הקונבנציונלית, התכנון הוא פשוט ואינו דורש אופטימיזציה ממוחשבת מסובכת".

 

החוקרים אימתו את תקפות הרעיון ע"י מימוש מבנה שמבטל החזרות בטווח תדרים רחב בתחום המיקרוגל. לשם כך, הם הרכיבו שני מוליכי גלים בעלי מאפיינים שונים והראו כי ניתן לבטל את ההחזרה החלקית אשר מתרחשת באופן רגיל כאשר גלי מיקרוגל עוברים ממוליך גלים אחד לשני ע"י מימוש מהוד אור לבן המורכב ממקטעים של מוליכי גלים בעלי מאפיינים שנבחרו בהתאם. כדי לשלוט במאפייני המקטעים המרכיבים את המהוד, החוקרים מילאו אותם במטא-חומרים שמומשו באמצעות הדפסה תלת ממדית.

 

פרופ' שויער מסכם באופטימיות: "קונספט המהוד לאור לבן הינו אוניברסלי וניתן למימוש לכל סוגי הגלים ובכל טווחי התדרים. ליכולת לבטל החזרות על פני טווח תדרים רחב עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת ויישומים רבים כגון מערכות תצפית ודימות טובות יותר, מערכות תקשורת בעלות טווח וקצב מידע משופרים וכן פיתוח טכנולוגיות חמקנות".

 

פרופ' לב שמר ומיטל גבע

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.

 

פרופ' עדי אריה, פרופ' וולפגאנג שלייך והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן

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 

קישור למחקר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

tausat3

מחקר

02.01.2022
הננו-לוויין TauSat3 שוגר לחלל

חוקרים מהפקולטה להנדסה וביה"ס לפיזיקה ולאסטרונומיה פיתחו "כספת" המגנה על מערכות אלקטרוניות מפני נזקי קרינה בחלל

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

אוניברסיטת תל אביב שיגרה לחלל בבוקר יום ג' שעבר את הלוויין TauSat3 שהכיל מדגים טכנולוגי של "הכספת", מנגנון חללי חדשני. הלוויין שוגר ממרכז החלל קנדי בפלורידה באמצעות טיל פלקון 9 של חברת SpaceX והוא הועבר באמצעות החללית Cargo Dragon C209 לתחנת החלל הבינלאומית של נאס"א, יחד עם מתנות לאסטרונאוטים לכבוד חג המולד. ביום שישי האחרון הלוויין הותקן והופעל בהצלחה בתחנת החלל הבינלאומית. הלוויין משדר נתונים תקינים ומתקשר עם הקרקע.

 

הלוויין TauSat3, שגודלו כגודל קופסת נעליים תוכנן ונבנה בקפידה על ידי צוות המומחים של האוניברסיטה ויבחן את ביצועיו של מנגנון הגנה אקטיבי להגנה על אלקטרוניקה מפני תופעות ונזקים הנגרמים על-ידי קרינה קוסמית. הכספת תאפשר שימוש במערכות אלקטרוניות מסחריות עדכניות בחלל על ידי הכנסתם לסביבה המוגנת שבתוך ה"כספת" והפעלתם בסביבה זו. לטענת החוקרים מדובר במנגנון בעל פוטנציאל מהפכני בתחום הלוויינות וכן בעל השפעה כלכלית משמעותית.

 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט יואב שמחוני מביה"ס להנדסת חשמל, יחד עם ראש ביה"ס לפיזיקה ולאסטרונומיה פרופ' ארז עציון ופרופ' עופר עמרני מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, ראש המעבדה ללוויינות זעירה.

 

יצוין כי "הכספת" צפויה להיכלל בסדרת הניסויים פורצי הדרך שיערכו במסגרת משימת "רקיע" בהובלת קרן רמון וסוכנות החלל הישראלית. איתן סטיבה, הישראלי השני בחלל ימריא למשימה בתחנת החלל הבינלאומית בחודש פברואר הקרוב. סטיבה צפוי לערוך עשרות ניסויים עבור חוקרים מובילים משורת אוניברסיטאות וחברות מסחריות בישראל.

 

פרופ' עציון ופרופ' עמרני מסבירים: "שילוב משימת הכספת במסגרת משימת "רקיע" יספק הזדמנות נדירה לבחון את אבני הבניין של טכנולוגיה זו בחלל. במקביל למחקר האקדמי, הפעילות ונושא המחקר ממונפים לטובת קידום תכנית חינוכית-מדעית בתחום החלל והקרינה."

בתמונה מימין לשמאל: פרופ' עפר עמרני, איתן סטיבה ויואב שמחוני, יחד עם הכספת במפגש ביניהם בקיץ (צילום: אוניברסיטת תל אביב)

 

הדוקטורנט יואב שמחוני מוסיף: "כיום, ציוד אלקטרוני הנשלח לחלל חייב בהתאמות ייעודיות למניעת נזק אפשרי מהקרינה בחלל. ההגנה שתספק הכספת תאפשר שימוש ברכיבים מסחריים בחלל, בכך תפתח הדלת  לשימוש ברכיבים אלקטרוניים מתקדמים תוך קיצור ניכר הן של זמני הפיתוח והן של עלויות המוצרים החלליים."

 

בנוסף, שותפים להצלחת הפרויקט: מאוניברסיטת תל-אביב - דולב בשי, אלעד שגיא, ברוך מאירוביץ וצוות בית המלאכה, ד״ר יאן בן חמו, ד״ר איגור זולקין, ד״ר מאיר אריאל, אורלי בלומברג, אדוארד קרט, לילי אלמוג וצוות הרכש, יסמין מילר והצוות המשפטי, ומספר סטודנטים להנדסת חשמל, תוכנה ופיזיקה. ממכללת אפקה - ד״ר אלכס סגל, התעשייה האווירית, חברת ננורקס המתאמת את העבודה מול נאס״א, משרד עורכי הדין ארליך, סאם ברקוביץ' ומשרד עורכי הדין הרצוג פוקס נאמן, חברת ארוטק, טל אחיטוב.

פרופ' יעל חנין

מחקר

18.11.2021
פיתוח חדש יאפשר לחשוף "שקרנים" ע"י תנועות של שרירי הפנים

פרופ' יעל חנין וחוקרים מאוניברסיטת ת"א הצליחו למדוד את תנועות שרירי הפנים בעת אמירת שקר ולתפוס את ה"שקרנים" בדיוק חסר תקדים של 73%.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

לראשונה בעולם, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו לזהות 73% מהשקרים לפי כיווצי שרירי הפנים בעת אמירת השקר. זאת ועוד, החוקרים הצליחו לזהות שתי קבוצות של "שקרנים": אלה שהשקר מקפיץ להם את שרירי הלחי ואלה שמשקרים מעל הגבות. לטענת החוקרים, למחקר החדש השלכות רבות לגבי זיהוי שקרים בכל תחומי החיים, כמו ביטחון ופשיעה.

 

המחקר נערך על ידי צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' יעל חנין מבית הספר להנדסת חשמל ופרופ' דינו לוי מהפקולטה לניהול ע"ש קולר, ובהשתתפות ד"ר אנסטסיה שוסטר, ד"ר לילך אינזלברג, ד"ר אורי אוסמי והדוקטורנטית ליז איזקסון. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Brain and Behavior.

 

המחקר החדש התאפשר הודות לפיתוח חדשני ופורץ דרך מהמעבדה של פרופ' יעל חנין: מדבקות המודפסות על משטחים רכים ומכילות אלקטרודות מיוחדות, המאפשרות לנטר ולמדוד את פעילות השרירים והעצבים. לפיתוח, שכבר ממוסחר דרך חברת X-trodes, יישומים רבים כמו ניטור שינה מהבית, זיהוי מוקדם של מחלות עצביות ושיקום– אבל הפעם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב החליטו להשתמש בו בכיוון אחר: זיהוי שקרים.

 

"מחקרים רבים הראו שאי אפשר באמת לזהות שקר, וכל האנשים שטוענים שהם יודעים לזהות 'פוקר פייס' – משלים את עצמם", מסביר פרופ' לוי. "יש מומחים, למשל חוקרי משטרה, שמצליחים קצת יותר, אבל רק קצת. ואילו הטכנולוגיה הקיימת של גלאי אמת בעייתית עד כדי כך שהיא אפילו לא קבילה בבית המשפט. תמיד אפשר ללמוד לשלוט על הדופק ולהערים על המכונה. מכל זה נובע שצריך טכנולוגיה אמינה ומדויקת יותר לזיהוי שקרים. הנחת יסוד אחת במחקר היא ששרירי פנים מתעוותים כשאנו משקרים, אלא שעד כה האלקטרודות פשוט לא היו רגישות מספיק כדי למדוד את העיוותים הללו".

 

במסגרת הניסוי, החוקרים הדביקו את האלקטרודות המיוחדות על שתי קבוצות שרירי פנים: שרירי הלחי הסמוכים לשפתיים והשרירים שמעל הגבות. הנסיינים נתבקשו לשבת אחד מול השני, כשלראשם אוזניות, שהשמיעו את המילים "קו" או עץ". כאשר נסיין אחד שמע "קו" ואמר "עץ", או שמע "עץ" ואמר "קו", הוא שיקר כמובן – והיושב מולו היה צריך לנסות ולזהות השקר.

בשלב השני, הנסיינים התחלפו, והמנחש התבקש להגיד אמת או שקר. כצפוי, המשתתפים בניסוי לא הצליחו לזהות אם שיקרו להם במובהקות סטטיסטית, אולם האותות החשמליים מפניהם אפשרו לחוקרים להגיע לתוצאה חסרת תקדים של זיהוי השקר ב-73% מהמקרים.

 

"מדובר במחקר ראשוני, ולכן השקר עצמו היה פשוט", אומר פרופ' לוי. "לרוב, כשאנחנו משקרים אנחנו מספרים סיפור ארוך יותר מ'קו' ו'עץ', עם מרכיבים של אמת ומרכיבים של שקר. אבל היתרון המחקרי כאן הוא שאנחנו ידענו מה נאמר באוזניות, כלומר ידענו מתי נאמר שקר ומתי אמת, וכך אימנו את התוכנה באמצעות למידת מכונה מתוחכמת לזהות שקרים לפי אותות ה-EMG באלקטרודות, והגענו לדיוק של 73% - לא מושלם, אבל טוב בהרבה מכל טכנולוגיה קיימת. תוצאה מעניינת אחרת הייתה שאנשים שונים משקרים באמצעות שרירים אחרים בפנים: חלק שיקרו עם שרירי הלחי וחלק עם השרירים שמעל הגבות".

 

לתוצאות הללו ייתכנו השלכות דרמטיות על היבטים רבים של חיינו, שכן המחקר הבסיסי לגבי הפיזיולוגיה של הפנים בעת אמירת השקר יכול לייתר את הצורך באלקטרודות – ולאמן תוכנות וידאו לזהות שקרים לפי תנועות השרירים עצמם. "בבנק, בחדר החקירות, בנמל התעופה או סתם בריאיון עבודה בזום, מצלמות ברזולוציה גבוהה שאומנו לזהות את תנועות שרירי הפנים ידעו לזהות מתי אנחנו דוברי אמת ומתי שקר", מסכם פרופ' לוי. "ברגע שנעבור את השלב הניסויי, נאמן את התוכנות ונייתר את הצורך באלקטרודות, היישומים רבים ומגוונים".

הוידאו "סט-אפ" מציג את מערכת ההתחמקות מהמכ"ם יחד עם מסכת הפאזה.

מחקר

07.10.2021
המסכה הפיזיקלית שגורמת לעצמים להיעלם

פיתוח חדש של חוקרים מהפקולטה להנדסה נעזר בחוקי הפיזיקה הבסיסיים כדי לגרום לעצמים שונים "להיעלם" ולחמוק מתחת לעינו הפקוחה של המכ"ם. 

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

פיתוח חדש, הנערך בהובלת פרופ' פבל גינזבורג והדוקטורנטים ויטלי קוזלוב ודמיטרו וובצ'וק, מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב ופורסם בעיתון המדעי Scientific Reports - הצליח לגרום לעצמים שונים "להיעלם" ולחמוק מתחת לעינו הפקוחה של המכ"ם. החוקרים למעשה מלבישים על העצם מעין "תחפושת" המתאפיינת בתכונות המשתנות בזמן, שמקשות על המכ"ם בזיהויו. החוקרים סבורים כי הטכנולוגיה עשויה לשנות את האופן שבו קהיליית המודיעין והביטחון יפעלו כנגד מכ"מים.

 

החוקרים מסבירים כי מאז המצאת המכ"ם לפני כמאה שנים, אחד האתגרים המשמעותיים של הקהילה המדעית והביטחונית ברחבי העולם היה לפתח טכנולוגיה שתאפשר לחמוק ממנו. טכנולוגיות כאלה אכן הוצעו ויושמו, ובראשן המטוס החמקן.

 

ברבות השנים, נכנסו לשימוש מספר אסטרטגיות פעולה שמטרתן הונאת המכ"ם. אחת הדרכים הנפוצות ביותר לכך היא פיזור מוץ: מוץ הוא כינוי כללי לענן של סיבים או רצועות מתכתיות שנהוג לפזר סביב המטרה הפוטנציאלית (מטוס, ספינה או כל עצם צבאי אחר). מאחר שמכ"ם מבוסס על החזרים של גלים אלקטרומגנטיים, המוץ יוצר מיסוך המתבטא ככתם לא ברור על צג המכ"ם, וכך אובדת היכולת לאתר במדויק את מיקום המטרה.

 

אסטרטגיה נוספת היא הקטנת החתימה של המטרה באמצעות טכנולוגיית חמקנות. בבסיס טכנולוגיה זו נמצאת ארכיטקטורה דקדקנית של הגאומטריה והחומר המרכיבים את החמקן, כפי שלמשל קורה במטוס ה"אדיר" המצוי בשירות חיל האוויר הישראלי.

 

כעת, החוקרים בהובלת פרופ' גינזבורג, מציעים אסטרטגיית הונאת מכ"ם חדשה לחלוטין, המבוססת על העיקרון הפיזיקלי של ניצול אפקט דופלר. אפקט דופלר מתרחש כאשר עצם (כגון רכב, מטוס או אוניה)  נע ביחס למכ"ם. הוא מתבטא בכך שתדירות הגלים האלקטרומגנטיים, המתפזרים מהמטרה בחזרה למכ"ם, מוסטת ביחס לתדירות ששודרה, וזאת באופן שקשור באופן הדוק למהירות המטרה.

בסיס הפיתוח החדש נסמך על כיסוי המטרה בחומר מיוחד עם תכונות משתנות בזמן, המאפשרות להערים על המכ"ם ולגרום לו למדוד מהירות אפסית מהמטרה, ובכך להניח שמדובר ברקע סטטי שאין להתייחס אליו.

 

פרופ' גינזבורג: "מאחר שעצמים צבאיים, כגון מטוסים, נעים במהירות גבוהה, הפיזור של הגלים האלקטרומגנטיים, מפני השטח שלהם מושפע רבות מאפקט דופלר, והדבר בא לידי ביטוי במהלך זיהויים במכ"ם. הזיהוי נעשה באמצעות סינון והפרדה של מטרות מהירות אל מול רקע איטי וסטטי– כך מפרידים בין מטוס מהיר ומרוחק לבין ציפור קרובה, הר או ענן גשם. מה שאנחנו מציעים כאן, הוא לא להפחית את הפיזור כפי שחלק מהטכנולוגיות הקיימות עושות, אלא להלביש עליו מסכת פאזה דינמית שתאפשר לו להערים על יחידת העיבוד של המכ"ם".

הדמיה של אופן הפעולה של המערכת כאשר היא מוצבת על עצם צבאי

הדמיה של אופן הפעולה של המערכת כאשר היא מוצבת על עצם צבאי

"אנחנו בעצם שולטים בפאזה הזמנית של הגל האלקטרומגנטי המוחזר מפני העצם, ובכך מנצלים חולשה של מערכת עיבוד האותות במכ"ם", מוסיף הדוקטורנט ויטלי קוזלוב. "מסכת הפאזה יכולה להיות מוצבת על אזור מסוים במטרה עצמה, ובכך לחסוך משאבים רבים, שכן אין צורך לכסות את כולה. בפועל המכ"ם יראה עצם סטטי שקשה להפרידו מסביבתו. יתרון נוסף הוא הוורסטיליות של המערכת שאנחנו מציעים, מאחר שניתן להתאימה למטרות בעלות גדלים וסוגים שונים. יישום השיטה החדשה מאפשר להעלים מהמכ"ם על ידי הבנת החולשות שלו והפיכתן לחוזקות".

 

קישור למאמר

קישור לכתבה ב YNET

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מהירות האור

מחקר

03.10.2021
חוקרים מהפקולטה להנדסה הדגימו שיטה חדשה ליצירת אור המגיע ליעדו יותר מהר או יותר

עבודתו של פרופ' אלון באב"ד יחד עם הדוקטורנטים לירן הראלי ותומאס זכריאס התפרסמה בעיתון היוקרתי Lasser and Photonics Reviews, מביאה לעולם האופטיקה שיטה גמישה ובלתי תלויה כלל בתווך שבין מקור האור לגלאי, אלא בתהליך המדידה וניתנת ליישום במערכות שונות ומגוונות

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

כאשר שולחים פולס של אור נהוג להניח שהוא נע במהירות האור שגודלה בקירוב 300 אלף ק״מ בשנייה. אולם תמונה זו אינה מדויקת. הדבר נכון בחלל החופשי, בואקום, אולם ישנן דרכים בהן מהירות האור יכולה להיות שונה, לפעמים במעט, לפעמים בהרבה ממהירות זו, אשר מקובל לסמנה באות c .

 

יצירת אור חדש

כאשר אור מתקדם למשל בחומר שקוף, כמו האטמוספירה שלנו, חלק מהפוטונים, הם החלקיקים מהם מורכב האור, נבלעים בחומר ופוטונים חדשים נפלטים ממנו. אותם פוטונים מצטרפים לפוטונים שלא נבלעו והם יוצרים אור חדש, ששונה במעט מהאור לפני שהגיב, עם החומר. אותו שינוי מתבטא בכך שמהירות האור הפכה למעט יותר קטנה, בשבריר של אחוז מזה שנמצא בואקום. בהתקדמות בחומר שקוף נוזל או מוצק, האינטראקציה עם החומר משמעותית יותר מאחר שצפיפות האטומים גדולה, והאטה במהירות האור יכולה להיות משמעותית.

לֹמשל במים, האור מתקדם במהירות נמוכה בכ-25 אחוז מאשר בואקום, ובגבישים שקופים מהירות האור יכולה להיות חצי ממהירות האור בואקום. כל אלה הם עדיין מהירויות גבוהות מאוד, הנחשבות לטבעיות, במובן שהן נפוצות בטבע.

 

אור איטי, אור מהיר

כיום יודעים לייצר במעבדות אור שנע במהירויות מאוד איטיות – פי עשרות אלפים ממהירות האור בואקום. הדבר מתאפשר בעזרת מערכות תהודה – מערכות בהן אור בתדר מאוד מסוים מגיב בצורה מאוד חזקה עם החומר. ניתן לייצר מערכות תהודה בעזרת מהודים -  מבנים גאומטריים בהם אור יכול לנוע הלוך ושוב באותו מסלול במשך זמן רב. דרך נוספת לייצור מערכות תהודה לאור, מערבת שליטה חיצונית במצב של האלקטרונים באטומים שבחומר. שליטה מתאימה משנה את הדרך בה החומר מגיב לפוטונים של האור ויכולה בכך לשנות את מהירות האור.

 

הדבר המפתיע במערכות תהודה לאור ושהן יכולות לשמש גם כדי לייצר אור שנע במהירות גבוהה ממהירות האור בואקום. לכאורה נראה שיש כאן סתירה לחוק בסיסי בטבע – שום דבר אינו יכול לנוע יותר מהר מהמהירות c, מהירות האור בואקום, אפילו לא אור. כיצד מיישבים סתירה זו? התשובה טמונה בדרך בה מודדים את מהירות הפולס, או – מה מודדים בדיוק. כאשר מודדים פולס של אור במיקום מסוים ועוקבים אחר עוצמת האור כפונקציה של הזמן, הגילוי מתחיל כאשר עוצמת האור עולה מעל לסף הרגישות של מכשיר המדידה ואז עוצמתו עולה בהדרגתיות עד לשיא ושוב יורדת. אם מודדים את פולס האור בשני מיקומים שהפולס נע ביניהם, ניתן למדוד דברים שונים. אם מודדים את הרגע בו מכשירי המדידה מצליחים לזהות לראשונה כי קיים אור (רגע זה מגדיר את חזית הגל של הפולס), אזי ניתן לוודא כי חזית הגל לעולם אינה נעה מהר יותר מ c. אך אם מודדים את השיא של הפולס, לעיתים שיא זה ינוע יותר מהר ממהירות האור בואקום. דבר זה מתרחש כאשר מצליחים לממש מערכת של אור מהיר ופרשנות סבירה לתהליך שקורה היא כזו: במהלך ההתקדמות במערכת פולס האור משנה את צורתו כך ששיא הפולס נע מהר יותר מ c, אך עדיין חזית הגל לעולם לא תנוע יותר מהר מ-c. ניתן גם להוכיח כי בכל המקרים של אור מהיר בלתי אפשרי להעביר אינפורמציה ממקום למקום במהירות גבוהה מ-c.

 

שימושים שונים לאור איטי ואור מהיר

אור איטי ואור מהיר זכו להתעניינות רבה במהלך השנים משום הפוטנציאל שיש להם לשימושים שונים כגון תקשורת אופטית, מחשוב אופטי וחישה אופטית. כעת, במעבדה של פרופ' באב"ד בפקולטה להנדסה הדגימו שיטה חדשה, שונה מאוד, לקבלת אור איטי ומהיר.

 

כאמור, העבודה נעשתה במעבדתו של פרופ׳ אלון באב״ד בפקולטה להנדסה ע״י הדוקטורנטים לירן הראלי ותומאס זכריאס והתפרסמה לאחרונה בכתב העת המדעי Lasers and Photonics Reviews. ייחודה של השיטה שהוצגה, שהיא אינה מערבת מערכת תהודה כלל וכלל והיא מתבססת על יצירת אור איטי או אור מהיר באמצעות תהליך המדידה עצמו.

 

כדי להבין את השיטה החדשה יש להבין כי מבחינה מתמטית כל פולס של אור מורכב מסכום אינסופי של גלים בעלי אמפליטודה (גובה מקסימלי של הגל) קבועה שמתנדנדים בקצב (תדר) מסוים מאוד, כאשר כל גל כזה קיים בכל זמן, כלומר מאז ומעולם ולנצח נצחים.

 

במציאות, גלים אלה אינם קיימים לנצח, אלא לאורך זמן מוגבל אך ארוך בהרבה מהזמן בו אנו מסוגלים למדוד את הפולס. אנו אומרים כי אוסף כל הגלים בתדרים השונים מתאבכים (מתחברים יחדיו) כדי ליצור את פולס האור. תכונה חשובה של פולסים היא כי אם מעלימים חלק מהגלים שמרכיבים את הפולס, הפולס החדש שנוצר יהיה ארוך יותר מהפולס המקורי. ככל שמסננים יותר גלים בעלי תדרים שונים, כך הפולס החדש יהיה ארוך יותר.

 

הניסוי

הניסוי שבוצע במעבדתו של פרופ׳ באב״ד התנהל באופן הבא: מערכת הניסוי ייצרה סידרה של פולסים אשר נשלחה לעבר גלאי. הפולסים הללו היו קצרים מספיק ומרוחקים מספיק האחד מהשני כך שניתן להתייחס אליהם כאל פולסים נפרדים היוצאים ומגיעים ליעדם האחד אחרי השני. זה המצב אם שום דבר מיוחד לא נעשה עם מערכת המדידה. אולם מה קורה אם למערכת המדידה מוסיפים אלמנט שבולע (משמיד) חלק מהגלים המרכיבים כל אחד מהפולסים הללו? אזי כל אחד מהפולסים מתרחב בזמן עד שהפולסים שהיו נפרדים כעת עולים האחד על השני ונוצר פולס חדש שהוא הסכום של כולם. זו שוב תופעת התאבכות. הייחוד בניסוי שנעשה הוא שאלמנט בולע כזה הוסף למערכת המדידה. יחד עם זאת הפולסים הנפרדים יוצרו מראש בצורה חכמה, כך שלאחר אלמנט הבליעה, ההתרחבות וההתאבכות – נוצר פולס יחיד חדש שהזמן בו הוא בשיאו ניתן להגדרה מראש, כך למשל יצרו בניסוי סדרה של פולסים שיצרו בתהליך המדידה פולס חדש שהגיע לפני הפולס הראשון בסדרה המקורית, זהו פולס שלכאורה נע יותר מהר ממהירות האור. באופן דומה גם יצרו סדרה אחרת של פולסים שהביאו בתהליך המדידה ליצירת פולס שהגיע יותר מאוחר מהפולס האחרון בסדרה המקורית, וזהו מימוש של אור שנע יותר לאט ממהירות האור.

חלק ממערך הניסוי. מעצב פולסים - המסוגל לייצר אות של אור המשתנה בזמן.

בתמונה: חלק ממערך הניסוי. מעצב פולסים - המסוגל לייצר אות של אור המשתנה בזמן.

 

על החיסרון והיתרון בשיטה החדשה

החיסרון בשיטה הוא שחלק גדול מהאור המקורי נזרק בתהליך המדידה ולכן אל הגלאי מגיעה בסופו של דבר כמות קטנה יחסית של אור, מה שמגביל את השימוש בשיטה ליישומים שאינם דורשים עוצמות אור גבוהות. אולם  היתרון בשיטה זו, בניגוד לשיטות המקובלות עד כה,  ליצירת אור איטי ומהיר שהיא אינה תלויה כלל וכלל בתווך שבין מקור האור לגלאי, אלא בתהליך המדידה, ומבחינה זו יש בה גמישות רבה וניתן ליישמה במערכות שונות ומגוונות.

קוונטים

מחקר

12.09.2021
תורת הקוונטים משפיעה על תהליך פליטת האור

סדרת מחקרים חדשה בהובלת פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, חוקרים מהטכניון ו-MIT מגלה כי גלי האור הנפלטים מחלקיקים משנים חלק מתכונותיהם כתלות בתכונות הגליות של החלקיקים.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

סדרת מחקרים חדשה בהובלת חוקרים של אוניברסיטת תל אביב, טכניון ו-MIT מגלה כי גלי האור הנפלטים מחלקיקים משנים חלק מתכונותיהם כתלות בתכונות הגליות של החלקיקים, ובמילים אחרות: תורת הקוונטים משפיעה על תהליך פליטת האור. סדרת המחקרים נערכה בהובלת פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב ופרופ' עדו קמינר הוא חבר סגל בפקולטה לפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי וחבר במכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע"ש הלן דילר.

 

בסדרת המחקרים, החוקרים הראו כיצד גלי אור משתנים כתלות בתכונות הקוונטיות של החלקיקים הפולטים אותם, וכי ניתן לפרש את פליטת האור כהתממשות של תופעה קוונטית הנוגדת לגמרי את האינטואיציה שלנו: קריסת פונקציית הגל. החוקרים הראו גם קשר ישיר בין פליטת אור ובין שזירות קוונטית – התופעה העומדת בליבן של טכנולוגיות הצפנה ומחשוב קוונטיות.

 

החוקרים מסבירים: דמיינו כי אתם מתבוננים בגל מים הפוגע בשובר גלים ובו שני סדקים, כך שלאחריו נוצרים שני גלי מים חדשים הבוקעים משני סדקים אלו. אם נתבונן בצורתם, נראה מקומות שבהם הגלים גבוהים יותר – ומקומות שבהם הגלים נעשו נמוכים. תופעה זו נקראת התאבכות: שני הגלים מסתכמים יחדיו במקומות מסוימים ומבטלים זה את זה במקומות אחרים. כעת, דמיינו כי אתם מתבוננים בכדורי טניס הנזרקים לעבר קיר ובו שני סדקים. ברור כי חלק מהכדורים יעברו דרך הסדק הראשון וחלקם דרך הסדק השני. הכדורים לא "יסתכמו יחדיו" או "יבטלו" זה את זה, כמו שגלים עושים.

 

לעומת זאת, תורת הקוונטים – התיאוריה הפיזיקלית המתארת את התכונות של חלקיקים זעירים – גורסת כי חלקיקים אלה עשויים לעיתים להתנהג כגלים. אם נבצע את ניסוי "שני הסדקים" עם חלקיקים קוונטיים נראה כי החלקיק הקוונטי מסוגל לעבור דרך שני הסדקים שבקיר בעת ובעונה אחת. בניסוי נצפה בתבנית התאבכות המורכבת לסירוגין מפסים בהירים – עדות לפגיעת החלקיקים במסך – ופסים חשוכים המעידים על מיקומים שבהם החלקיקים לא פגעו. בהירותם של הפסים מאוד דומה לגובהם של גלי המים לאחר הפגיעה בשובר הגלים עם שני הסדקים. עם זאת, קיים הבדל מהותי בין גלי המים ובין גלי החלקיקים של תורת הקוונטים. אם נתבונן באחד הסדקים שבהם עבר החלקיק הקוונטי, תבנית הפסים על המסך תיעלם. עצם התצפית שלנו במיקום החלקיק באחד מהסדקים תגרום לו לעבור בוודאות דרך הסדק שבו התבוננו: פתאום החלקיק הקוונטי מתנהג כמו כדור הטניס. תופעה מוזרה זו נקראת "קריסת פונקציית הגל".

התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין)

בתמונה: התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין).

 

למרות ההתקדמות העצומה בהבנתנו את הפיזיקה הקוונטית, עדיין ייתכנו סתירות לכאורה בינה ובין הפיזיקה הקלאסית. למשל, בפיזיקה קלאסית ניתן למצוא את מסלולו ומהירותו של חלקיק הפולט אור, ולנבא מכך את אופיו של האור הנפלט ממנו. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים אי אפשר למדוד את מיקומו ואת מהירותו של חלקיק קוונטי בעת ובעונה אחת (זהו עיקרון אי-הוודאות המפורסם של הייזנברג). כמו כן, לחלקיקים הקוונטיים תכונות גליות, והם משנים את תכונותיהם כאשר אנו "מתבוננים" בהם (קריסת פונקציית הגל).

פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

בתמונה: פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

 

סדרת מחקרים בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, הטכניון ו-MIT הראו איך תכונות אלו של המכניקה הקוונטית משפיעות על האופן שבו חלקיקים פולטים אור. החוקרים הראו שתופעות רבות הקשורות לפליטת אור, שהוסברו באותו האופן ב-100 השנים האחרונות, יכולות להתנהג באופן שונה מאוד מהצפוי. זאת, עקב השפעת האופי הקוונטי של חלקיקי החומר על האור הנפלט מהם.

 

במחקרם הראשון מ-2019 ניסו החוקרים למדוד התאבכות של גלי אור הנפלטים מאלומת אלקטרונים (חלקיקים תת-אטומיים קוונטיים הטעונים במטען חשמלי). המחקר, שנערך בהובלה משותפת של ד"ר רואי רמז והדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ' עדי אריה מאוניברסיטת תל אביב ופרופ' עדו קמינר מהטכניון, התפרסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters. במחקר השתתפו גם ד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, המסטרנט ניב שפירא וד"ר יוסי לריאה מאוניברסיטת תל אביב. באותו מחקר הראו החוקרים כי ההתאבכות של האור הנפלט אינה מתקבלת בניסוי. כאשר השתמשו בתורת הקוונטים כדי לתאר את תוצאות הניסוי הם גילו כי התיאוריה מנבאת אפקט דומה מאוד ל"קריסת פונקציית הגל". ברגע פליטת האור, פונקציית הגל של האלקטרון "קורסת" לנקודה מסוימת במרחב, כאילו מישהו צפה באלקטרון במיקום זה בדיוק. על כן, פליטת האור כבר אינה מתרחשת מכמה נקודות בעת ובעונה אחת, וההתאבכות של גלי האור נעלמת.

 

מחקר המשך שהתפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science Advances הראה כי יכולת ההתאבכות של גלי האור בזמן, האחראית ליצירתם של גלי אור קצרים וחזקים (פולסים), יכולה להיעלם גם היא עקב עיקרון אי הוודאות של הייזנברג. המחקר החדש נערך בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ' אריה ופרופ' קמינר ובשיתוף פעולה עם הדוקטורנט ניקולס ריוורה מ-MIT שבארה"ב. החוקרים הדגימו באופן תאורטי את היעלמות ההתאבכות של האור באמצעות אפקט אחר, הנקרא קרינת צ'רנקוב. נהוג להסביר את קרינת צ'רנקוב באנלוגיה למטוס סילון העוקף במהירותו את מהירות הקול ויוצר "בום על-קולי" הנקרא גם בשם גל הלם. באופן דומה, באפקט צ'רנקוב חלקיק העוקף את מהירות האור בתוך חומר שקוף אמור ליצור גל הלם – "בום על-אורי". התגלית החדשה של החוקרים מפתיעה כי מתברר שקרינת צ'רנקוב כלל אינה גל הלם, כפי שחשבו מדענים מאז גילוי האפקט ב1934. האנלוגיה בין מטוס הסילון לחלקיק הקוונטי איננה נכונה. רק בתנאים מיוחדים – התלויים בתכונות אי-הוודאות של החלקיק הקוונטי הפולט – הקרינה תיפלט בצורה של גל הלם.

 

לבסוף, במחקר נוסף שהתפרסם לאחרונה אף הוא ב-Physical Review Letters, בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי, פרופ' אריה, פרופ' קמינר והדוקטורנט ניקולס ריוורה, הצליחו החוקרים להראות כי כאשר אור נפלט בו זמנית משני אלקטרונים, תיתכן השפעה דרמטית של התכונות הקוונטיות של האלקטרונים על האור הנפלט. למשל, כאשר זוג אלקטרונים הם "שזורים קוונטית" – בעלי קשר הסתברותי קוונטי העומד בליבן של טכנולוגיות כגון הצפנה ומחשוב קוונטיים – ייפלטו, תחת תנאים מתאימים, גלי אור משני האלקטרונים יחדיו ונקבל התאבכות של אור התלויה באופן ישיר באופן שבו שני האלקטרונים היו "שזורים". בצורה זאת, טוענים החוקרים, התבוננות באור הנפלט מחלקיקים שזורים יכולה לתת אינדיקציה למידת השזירות שלהם מבלי למדוד אותם ישירות: אפשרות שיכולה להיות חשובה לשימושים עתידיים באלקטרונים כנושאי מידע קוונטי.

 

לכתבה ב YNET

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מימין לשמאל: פרופ' עדי אריה, הדוקטורנטים דרור ויסמן וגאורגי גרי רוזנמן ופרופ' לב שמר. במרכז - מיקרוסקופ אופטי סורק לשדה הקרוב באמצעותו בוצעו המדידות של הגלים הפלזמוניים

מחקר

01.09.2021
חוקרים מבית הספר להנדסת חשמל ומכנית פיתחו מוליך גלים מסוג חדש

המערכת תאפשר הולכת גלים אלקטרומגנטיים בתחום קרני הרנטגן ובתחום הטרה-הרץ

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב הביא לפיתוחו של מוליך גלים חדש ויעיל, המבוסס על עקרונות יסודיים בפיזיקה, ואשר יאפשר להוליך גלים שעד כה היה מסובך לעשות זאת עמם.

 

מוליכי גלים מופיעים בשלל תצורות. דוגמה ידועה היא הסטטוסקופ (מַסְכֵּת בעברית) שמוליך את גלי הקול מגופו של הפציינט לאוזנו של הרופא. עבור גלי רדיו או גלי מיקרו, התצורה המוכרת של מוליך גלים היא צינור מתכת דק. עבור גלי אור שיטה יותר יעילה היא להשתמש בסיב אופטי העשוי מזכוכית, שמקדם השבירה שלו נבחר כך שהגלים נותרים כלואים בתוכו עד הגעתם למוצא הסיב. אולם, במקרים מסוימים קשה למצוא חומרים מתאימים שיאפשרו את כליאת הגלים. יש צורך במוליכי גלים היות שבלעדיהם הגלים יתרחבו ולא תתאפשר העברה יעילה מנקודה אחת לאחרת. כך למשל, גלים העוברים מבעד לסדק, בדרך כלל יתפשטו במרחב.

 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט דרור ויסמן מקבוצתו של פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב. במחקר השתתפו הדוקטורנט גרי גאורגי רוזנמן, פרופ' לב שמר וכן חוקרים מאוניברסיטת אוּלְם בגרמניה – הדוקטורנט מוריץ קרמסין, ד''ר מקסים אפרמוב ופרופ' וולפגנג שלייך. המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

 

ניסויים חדשים עם גלים פלזמוניים (שילוב של אור ותנודות אלקטרוניות) ועם גלי כבידה משטחיים הנעים על פני מים, מראים כי רצף של סדקים מסוגל להוליך את הגלים במסלול צר. הסדקים חוסמים את הקצוות החיצוניים של הגלים, בעוד שהגלים הלא חסומים מתרכזים לאורך ציר מרכזי של מוליך הגלים כתוצאה מהתאבכות. המערכת הפשוטה הזו, המבוססת על סדקים, יכולה להיות שימושית במצבים בהם קשה לייצר מוליכי גלים רגילים, למשל עבור גלים אלקטרומגנטיים בתחום קרני הרנטגן או בתחום הטרה-הרץ.

 

ויסמן ושותפיו הצליחו לפתח מוליך גלים המבוסס על סדקים. "איננו זקוקים לשום חומר מיוחד עם מקדם שבירה מסוים", אומר ויסמן. "הדבר היחיד שאנו צריכים הוא חומר שחוסם את התקדמות הגלים". הרעיון מבוסס על תופעה הקרויה "מיקוד עקיפתי" (diffractive focusing), בה עוצמת הגלים העוברים דרך סדק עולה בטרם האלומה מתבדרת. בדרך כלל קשה להבחין במיקוד זה מאחר שהוא קורה בסמוך לסדק: עבור סדק ברוחב של כחמישה אורכי גל, המיקוד מתרחש בנקודה הממוקמת כשמונה אורכי גל בלבד מהסדק.

אלומת הלייזר משמאל מאירה סריג המייצר גל פלזמוני משטחי. הגל נקטם באופן מחזורי על ידי הסדקים. התפלגות העוצמה נמדדת על ידי הסיב המחודד (החלק הכחול באיור) של המיקרוסקופ האופטי הסורק

בתמונה: אלומת הלייזר משמאל מאירה סריג המייצר גל פלזמוני משטחי. הגל נקטם באופן מחזורי על ידי הסדקים. התפלגות העוצמה נמדדת על ידי הסיב המחודד (החלק הכחול באיור) של המיקרוסקופ האופטי הסורק.

 

במחקר קודם שעסק במיקוד עקיפתי, ויסמן ושותפיו מדדו גלים המתקדמים דרך שני סדקים ברצף, כאשר הסדק השני ממוקם בסמוך למוקד של הסדק הראשון.  הם הבחינו כי כאשר האור עובר דרך שני הסדקים יחד, תבנית העקיפה הייתה דומה לזו המתקבלת מסדק יחיד – כלומר, יתכן שניתן לחזור על התהליך עם סדק שלישי, רביעי וכן הלאה. הצוות חזה כי כל סדק יכול למקד את האות לפני הגעה אל הסדק הבא, וכך למעשה נוצר מוליך גלים.

 

החוקרים אימתו כעת את תחזיתם באמצעות שני ניסויים. הראשון, התבסס על גלים פלזמוניים – גלים אלקטרומגנטיים המתקדמים על פני משטח מתכת ומצומדים לאלקטרונים שבו. על מנת ליצור מוליך גלים פלזמוני מבוסס סדקים על לוח כסף, הצוות ייצר צמדים של קירות כסף ננומטריים דקים שהגל הפלזמוני יכול להתקדם ביניהם. לאחר מכן, הם עוררו את המבנה באמצעות אלומת לייזר ומדדו את התפלגות העוצמה באמצעות מיקרוסקופ אופטי הסורק את עוצמת הגל הפלזמוני בשדה הקרוב. הם העריכו כי כל סדק גורם לאיבוד של כ-10% מהאנרגיה של אלומת הלייזר, לנוכח קטיעה של קצות הגל ע"י הקירות. מוליך הגלים החדש הוא בעל הפסדי הולכה דומים לאלה של מוליכי גלים פלזמוניים קיימים.

 

בניסוי השני, הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן בחן את מוליך הגלים החדש באמצעות גלי כבידה משטחיים הנעים על פני מים, בבריכת גלים ייחודית שאורכה 18 מטרים, במעבדתו של פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב. בניסוי זה, החוקרים יצרו גל אשר התפשט בבריכת המים וקטמו אותו בכל פעם במישור הזמן. הצוות מדד את צורת הגל ליד נקודת המוקד, והזין את המידע לגבי עוצמת הגל והפאזה (מופע) שלו בחזרה למחולל הגלים כדי ליצור את חבילת הגלים הבאה, בעוד הם קוטמים את המידע שזלג החוצה מהסדק הזמני. הפעולה החוזרת הזו הראתה תבנית התפשטות חוזרת בכל פעם, הן בעוצמה והן בפאזה.

 

"מוליך הגלים החדש הוא פתרון כללי שניתן ליישום למגוון רחב של גלים", אומר ויסמן. בנוסף לגלי אור ולגלי מים, ניתן להשתמש בשיטה לצורך הולכה של גלי קול, גלי חומר ועוד. יתרון נוסף הוא שגדלי הסדקים ומיקומיהם ניתנים לכוונון. למשל, הצוות הראה כי כיווץ רוחב הסדקים אפשר למוליך הגלים להצר את האלומה, בעוד שהזזת מיקומי הסדקים משנה את כיוון האלומה.

 

קישור לכתבה ב YNET

קישור למחקר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

תמונה מהמחקר

מחקר

03.06.2021
חוקרים הצליחו להפוך ננו-חלקיק של גיר שקוף לזהב מלאכותי

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו טכנולוגיה חדשה היכולה להפוך את חלקיק השקוף לנוצץ ונראה לעין למרות ממדיו הקטנים. החוקרים טוענים שהפיתוח החדש יכול לשמש כבסיס לתרופות חדשניות בתחום הסרטן.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

פריצת דרך בתחום "חומרי העל": לראשונה בעולם, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו לפתח טכנולוגיה חדישה אשר מצליחה להפוך ננו-חלקיק של גיר שקוף לדמוי זהב מלאכותי נוצץ. כלומר להפוך את החלקיק השקוף לנוצץ ונראה לעין למרות ממדיו הקטנים. החוקרים טוענים שהפיתוח החדש יכול לשמש כבסיס לתרופות חדשניות בתחום הסרטן.

 

הטכנולוגיה החדשה פותחה ע"י פרופ' גינזבורג וד"ר נוסקוב מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב ומספר מעבדות המובילות בעולם ובראשן: פרופ' גורין (SkolTech), ד"ר שירשין ( (MSU  ופרופ' פלמינג (USYD). המחקר  התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי Advanced materials.

 

בטבע נמצאים מגוון רחב של חומרים עם תכונות שונות. האתגרים החדשים הניצבים היום בפני האנושות בתחומים רבים ממריצים מדענים בכל העולם לפתח חומרים בעלי תכונות שאינם מצויים בטבע. חומרים מהונדסים אלה נקראים חומרי על או מטא-חומרים. הדוגמא אולי המפורסמת ביותר למטא-חומר הם גבישים עם מקדם שבירה שלילי שנחקרו רבות והדגימו ביצועי-על בהדמיה אופטית ומגוון רחב של יישומים אחרים.

 

אחד השימושים הנוספים בחומרי-על שהחוקרים מאוניברסיטת תל-אביב יחד עם עמיתיהם מאוניברסיטאות מובילות בעולם חשבו עליו הוא בתחום הרפואה ובתחום הטרונוסטיקה בפרט. מדובר בפיתוח מבנים זהירים (ננו-חלקיקים) חכמים והכנסתם אל תוך גוף האדם במטרה לבצע דיאגנוזה וריפוי בו זמנית במידת הצורך, למשל כאשר מדובר בתאים סרטניים. הרעיון של החוקרים היה להנדס מטא-חומר שיוכל בו זמנית לחדור לתאים חיים, להיות ביוקומפטבילי (תואם ביולוגית), לשאת תרופה וגם שיזוהה על-ידי מכשירי הדמיה. וזה בדיוק מה שהם עשו.

 

במסגרת המחקר, החוקרים פיתחו שיטה שבאמצעותה הם הפכו ננו-חלקיק של גיר פורוזיבי שאינו נקלט באמצעות מכשירי הדמיה למעין זהב מלאכותי נוצץ. בעזרת החדרת חלקיקי זהב שגודלם 3 ננומטר בלבד לתוך הגיר בשיטה חדשה החוקרים הצליחו להנדס רזוננס פלזמוני של המבנה כולו ובעצם לשנות את התכונות האופטיות שלו (3 ננומטר - פי 30 אלף דק יותר מעובי שערה ולפחות פי 100 קטן יותר ממה שאפשר לראות במיקרוסקופ אופטי רגיל) זאת, באמצעות ננו-טכנולוגיות ושיתוף פעולה עם מומחי מיקרוסקופיית אלקטרונים שהצליחו לראשונה להגיע להישג המרשים.

 

ד"ר רומן נוסקוב מסביר שמדובר בפריצת דרך שתאפשר בהמשך להוסיף פונקציות נוספות למטא-חומרים ויהיו לכך שימושים בתחומים רבים: "לפלטפורמה שהצלחנו להנדס ניתן להוסיף פונקציות נוספות כגון נראות למכשיר MRI, הזנת תרופות, ואף להפוך אותה לננו-לייזר או אבקה לוזרת שיש לה שימושים רבים מסמנים ביולוגיים עד לצביעת מוצרי נוי ביתיים. פרט לכך, הטכנולוגיה החדשה של הפיכת גיר לזהב מלאכותי תוכל להוזיל משמעותית את תהליך הייצור של פלטפורמות שונות הן לתרופות והן להתקנים אלקטרואופטיים".

 

"במהלך המחקר הצלחנו להוכיח כי ניתן לחמם את החלקיקים שפיתחנו בעזרת לייזר" מוסיף פרופ' פבל גינזבורג. "כיוון שיש לנו שליטה מלאה על תדר הרזוננס של החלקיק אנחנו יכולים לחממו באמצעות לייזר אינפרה-אדום חודר רקמות – וזה המפתח לתרמוטרפיה. למשל, עליית טמפרטורה של כמה מעלות בקרבת גידול סרטני יכולה להשמיד אותו, אם כי הדרך לשיטת הריפוי עוד ארוכה בגלל שחייבים לעשות סידרת ניסויי המשך עם תאים חיים".

 

לינק לכתבה ב ynet

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מצפן

מחקר

02.05.2021
המצפן של האלקטרון

כיצד אפשר לחקות התנהגות של חומרים מגנטיים לא יציבים על ידי גלי אור המתקדמים בגבישים מהונדסים? מחקר חדש של קבוצת חוקרים מהפקולטה להנדסה ומהטכניון פותח אפשרויות חדשות להעברה ועיבוד של מידע אופטי, ובפרט ליישומים בתחום התקשורת והמחשוב הקוונטיים.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

על מנת להבין את האנלוגיה לחומרים מגנטיים ניזכר תחילה כיצד מחט המצפן יודעת להצביע על כיוון הצפון. הסיבה לכך היא שהמחט היא מגנט קטן, והשדה המגנטי של כדור הארץ מפעיל עליה כוח וגורם לה "להתיישר" כך שהחץ של המחט יצביע על הצפון.

 

תופעה דומה יכולה להתרחש כאשר אלקטרונים נעים בחומר מגנטי. בדומה למחט המצפן, גם האלקטרון מתנהג כמו מגנט קטן הנקרא ספין, ולכן אפשר לשלוט בתנועתו באמצעות שדה מגנטי. מחקרים שנעשו בשנים האחרונות גילו אפשרויות מעניינות לשליטה בזרם האלקטרונים באמצעות מצבים חדשים של חומרים מגנטיים, הקרויים "סקירמיונים", שבהם יש סידור מיוחד של השדה המגנטי בצורה המזכירה קיפוד ששוכב על הבטן – כל קוץ בגבו של הקיפוד מייצג את כיוון המגנט במקום מסוים במרחב. האתגרים המשמעותיים במחקר של חומרים אלה היא ביכולתנו לייצר את הקיפודים המגנטיים על צורותיהם השונות והמיוחדות. מסתבר שדווקא המבנים המגנטיים המעניינים יותר נוטים להיות לא יציבים, וכל הפרעה קטנה גורמת להם להתפרק ולאבד את צורתם.

 

פריצת דרך חדשה בנושא זה הושגה במחקר בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ומנחה הדוקטורט שלו, פרופ' עדי אריה, מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב. במחקר, שנערך עם פרופ' גיא ברטל והדוקטורנט שי צסס מהפקולטה להנדסת חשמל ע"ש ויטרבי בטכניון, מתוארת דרך שבה אפשר לגרום לקרני אור להתנהג כמו אלקטרונים עם ספין ולגרום לחומרים עם תגובה אופטית להתנהג כמו חומרים מגנטיים. "מכיוון שקל הרבה יותר להנדס אור וחומרים אופטיים, אפשר יהיה לחקור באמצעותם את התכונות של החומרים המגנטיים," אומר פרופ' אריה. "ב-30 השנים האחרונות הצטבר ידע עצום בתכנון של התקנים וטכנולוגיות בתחום המידע המגנטי, ועכשיו אפשר יהיה לקחת את הידע הזה ולייצר באמצעותו התקנים אופטיים."

בתמונה: הדוקטורנט אביב קרניאלי 

 

במאמר בחרו החוקרים לתת דוגמה להתקן עתידי שכזה, המבוסס על "אפקט הול הטופולוגי" – אפקט קוונטי המתרחש כאשר חלקיק ספין חולף ליד אותם "קיפודים מגנטיים". "אפשר לחשוב על האפקט הזה כמו 'בעיטת בננה' בכדורגל," מסביר אביב קרניאלי. "חלקיק שנע ליד סקירמיון מגנטי מעקל את מסלולו כתלות בכיוון הספין שלו, שזה דבר מאוד יעיל אם רוצים להחליט לאן עובר זרם – כמו מתג. בחומרים מגנטיים אמיתיים לא יודעים איך לשלוט באפקט הזה, אלא רק לראות שהוא קיים, ואנחנו מראים איך באמצעות האור אפשר לחקות את אפקט הול הטופולוגי כדי לחקור אותו, אבל גם כדי להשתמש בו למתגים מהירים".

 

התגליות הללו צפויות לפרוץ דרך לא רק בהבנתנו את החומרים המגנטיים, אלא גם לתת השראה להתקנים אופטיים חדשים השולטים באור, בדומה לדרך בה חומרים מגנטיים שולטים בזרמים מגנטיים. לדוגמה, החוקרים מעריכים כי המחקר עשוי להוביל לפיתוח טכנולוגיות חדשות להעברה ועיבוד של מידע אופטי. נוסף על כך, היכולות הקיימות כיום לשליטה בחלקיקי אור בודדים – פוטונים – יחד עם הרעיונות החדשים לעיבוד המידע המבוססים על הקיפודים המגנטיים, צפויים לפתוח דלתות וכיווני מחשבה נוספים לעיבוד אינפורמציה קוונטית באמצעות אלומות אור. 

 

פרופ' אריה מוסיף שההתקנים שאפשר לייצר אינם מוגבלים רק לדברים פשוטים כמו מתגים. "אחד הכיוונים המבטיחים ביותר בטכנולוגיות קוונטיות הוא השימוש בחלקיקים בודדים של אור, או בשמם המדעי פוטונים, לייצוג מידע. ההתקנים שאנחנו מציעים לא יעבדו רק עבור קרני אור רגילות, אלא גם עבור פוטונים בודדים, ובאותה היעילות. מאחר שכיום, פוטונים בודדים הם בחזית הפיתוח של תקשורת קוונטית ומחשבים קוונטיים, יכול להיות שהתגלית שלנו תאפשר דרכים חדשות ויעילות יותר להעביר ולעבד מידע קוונטי בצורה אופטית."

 

המחקר נתמך ע"י הקרן הלאומית למדע. אביב קרניאלי ושי צסס הם זוכי מלגת אדמס של האקדמיה הלאומית למדעים. 

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש
שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>