מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
מחקר
מאסטר-טראק
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
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 הפתוחה 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 הפתוחה 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 שהן יכולות גם לשמש 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, ויחד 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

פיתוח מכונת הנשמה

מחקר

29.10.2020
קוד לאוויר לנשימה

צוות חוקרים מהפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב פיתחו כלי תוכנה, עם קוד פתוח למפתחים שיאפשרו לנבא ביצועים של מכונות הנשמה שמחוברות למטופלים במצבים שונים.

  • מחקר
  • נשימה
  • הנדסת חשמל
  • הנדסה מכנית

 

עם פרוץ מגיפת הקורונה התארגנה קבוצה של חוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב במטרה לעזור במאמץ המלחמתי. פרופ' אלכס ליברזון מבית הספר להנדסה מכנית וד"ר גדעון שגב מבית הספר להנדסת חשמל מובילים צוות לפיתוח של כלי תוכנה עם קוד פתוח למפתחים שיאפשרו לנבא ביצועים של מכונות הנשמה שמחוברות למטופלים במצבים שונים. מטרת הפרויקט היא לאפשר לקבוצות שמפתחות מכונות הנשמה "ביתיות" לבדוק כיצד המכונה שלהם תעבוד עם חולים ובנוסף לאפשר פיתוח מהיר של מערכות שליטה ובקרה למכונות הנשמה.

 

בקרת זרימת האוויר

כיום מדברים הרבה על ייצור של מכונות הנשמה "פשוטות" או ביתיות. הבעיה העיקרית עם מכונות כאלו היא שאין להן את כל מערכות הבקרה המתוחכמות שיש במכונות ההנשמה הרגילות. לדוגמא, במכונות הנשמה יש מספר חיישנים המאפשרים לשלוט בנפח האוויר שנכנס למטופל בכל נשימה ובלחץ האוויר המינימלי והמקסימלי בריאות שלו. עם זאת, העלות של חיישנים למדידת כמות האוויר שנכנס היא גבוהה וגם קשה להשיג כאלו היום. כתוצאה מכך, במכונות ההנשמה הפשוטות שמציעים לבנות היום, קשה לדעת כמה אוויר המטופל מקבל. "כאן הכלים שאנחנו מפתחים נכנסים. התוכנה שאנחנו פיתחנו מדמה את זרימת האוויר במכונה ובמטופל. היא לוקחת בחשבון פרמטרים כמו המצב הרפואי של המטופל ואת מספר הנשימות שלו בדקה והיא מחשבת את זרימת האוויר והלחץ בכל נקודה במכונה ובריאות של המטופל" מספר ד"ר שגב.

 

מבעיה לפתרון

בעזרת כלי כזה, מפתחים יכולים לתכנן טוב יותר את המערכות שלהם ולהתייחס לבעיות כמו: איך המכונה תעבוד עם מטופלים שונים? כיצד מוודאים שהמכונה מסונכרנת עם הנשימות של המטופל? או האם ניתן להציב חיישנים פשוטים במקומות שונים בשביל להעריך כמה אוויר המטופל מקבל?

 

בשלב הראשון, בנינו תוכנה שמדמה את הפעולה של מערכת המנשמה. מערכת הנמצאת בפיתוח ע"י צוות הכולל מהנדס מערכת, רופא, מהנדס חשמל, מתכנת ומתנדבים נוספים שעוזרים בכל הנדרש: מרדכי חלפון, ד"ר אלעד גרוזובסקי, רונן זילברמן, גיל בכר, עברי שפירא, רועי דרנל, סתיו בר-ששת. המנשמה מיועדת להקל על חולים מונשמים שאינם מורדמים. "יחד עם צוות הפיתוח של המנשמה, ערכנו סידרה של ניסויים שאפשרו לנו לכייל את החישובים שלנו ועל ידי כך לאפשר לתוכנה לנבא כיצד המכונה תעבוד עם מטופלים במצבים שונים. השלב הבא יהיה להתאים את החישובים למערכות שמבוססות על מנשם מסוג אמבו (מין בלון שלוחצים עליו כדי להכניס אוויר לריאות). יש הרבה מאוד אנשים בעולם שעובדים על מכונות מהסוג הזה כך שאנחנו חושבים שתוכנה כזו תוכל לעזור להם בצורה משמעותית" מסביר ד"ר שגב

 

על ה Software

התוכנה שלנו מבוססת על כלי תוכנה סטנדרטיים לתכנון מערכות לזרימת אוויר. היא פותרת את משוואות הזרימה בהינתן המצב של המטופל והפרמטרים של בקרת הנשימה שאנחנו בוחרים. התוצאה של החישוב היא איך הלחץ וזרימת האוויר משתנה  בריאות (או בכל נקודה אחרת במערכת) עם הזמן. ערכנו ניסויים עם ריאה מלאכותית והשווינו את תוצאות הניסוי לחישובים במצבים שונים. היה מאוד יפה לראות שאחת שמכוונים את החישוב, הוא מסוגל לתאר את ביצועי המערכת במגוון רחב של מצבים. מאחר ואנחנו עוסקים רק בחישובי הזרימה, החישוב לא מסוגל לתת מידע על התפתחות המחלה עצמה. עם זאת, חישובים כאלו יאפשרו למפתחים לכוון את מערכות ההנשמה שלהם כך שייצרו את הפרמטרים האופטימאליים עבור כל מטופל ועל ידי כך לשפר את המצב שלו.

 

"מספר המונשמים בארץ הוא די נמוך בהשוואה למדינות רבות בעולם. על כן, לשמחתנו, נראה שלא יהיה בארץ צורך במכונות הנשמה פשוטות. עם זאת, זה ממש לא המצב במקומות רבים בעולם. יש מדינות רבות בעולם השלישי שבכל המדינה יש פחות מעשר מכונות הנשמה. במדינות כאלו יש חוסר קיצוני במכונות הנשמה גם בימים שבשגרה ועל אחת כמה וכמה עכשיו עם התפרצות מגפת הקורונה. אנחנו מקווים שהפעילות שלנו תוכל לעזור במשהו בכל המקומות האלו" מסכם ד"ר שגב

 

לינק קישור לתוכנהhttps://osf.io/befqm/

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

עדשה

מחקר

12.10.2020
לעקם את משולש החשיפה

מאמרו של הדוקטורנט שי אלמלם, התפרסם השבוע בכתב העת היוקרתי ""Optica של ה-OSA בנושא: "תיקון טשטוש הנובע מתנועה באמצעות קידוד מפתח מרחבי-זמני".

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

הדוקטורנט שי אלמלם, בהנחיה משותפת של פרופ' עמנואל מרום ז"ל וד"ר רג'א ג'יריס, מבית הספר להנדסת חשמל של הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב , פרסמו השבוע מאמר בכתב העת היוקרתי ""Optica של ה-OSA בנושא: "תיקון טשטוש הנובע מתנועה באמצעות קידוד מפתח מרחבי-זמני".

 

האתגר הגדול

בשנים האחרונות השימוש במצלמות נהיה חלק אינטגרלי מחיי היום-יום וניתן למצוא אותן משולבות בטלפונים ניידים, מחשבים, מערכות אבטחה וכו׳. ישנה הערכה הגורסת כי בעולם יש כיום יותר מצלמות מבני-אדם. כדי לצלם תמונה טובה, דרוש כי עוצמת אור גדולה תגיע לחיישן. כדי להגדיל את עוצמת האור ניתן להגדיל את מפתח העדשה, אך המחיר של הגדלה זו הוא הקטנה של עומק השדה, וכתוצאה מכך טשטוש של עצמים שאינם במישור המוקד (שאינם ב'פוקוס'). פתרון אפשרי אחר הוא להגביר (אלקטרונית) את האות שהגיע לחיישן, אך הגברה זו תוסיף רעש ויזואלי לתמונה. האפשרות השלישית היא להגדיל את זמן הצילום (מכונה גם זמן החשיפה), וכך יגיע יותר אור לחיישן. מאידך, בזמן חשיפה ארוך ייתכן שתתרחש תנועה, בין אם של העצמים אותם אנחנו מצלמים (תמונה 1) ובין אם של המצלמה עצמה (תמונה 2), מה שיגרום למריחה ולירידה באיכות התמונה.  

תמונה 1: מריחה כתוצאה מתנועה של העצם המצולם תוך כדי החשיפה 

 

תמונה 2: מריחה כתוצאה מתנועה של המצלמה תוך כדי החשיפה

 

המפתח הוא באיזון

כדי לצלם תמונה איכותית נדרש לאזן את 'משולש החשיפה' (מפתח, זמן חשיפה והגבר), ואיזון זה הינו אתגר יסודי בצילום. השימוש הרווח במצלמות בימינו מכתיב דרישות מורכבות על התכנון שלהן, כיוון שמצלמות נדרשות להשיג ביצועים מצוינים מחד, ומאידך להיות קטנות וזולות ככל שניתן. בשיטות התכנון המקובלות, דרישות אלו הן דרישות סותרות.

 

פיצוי על הטשטוש

כדי להשיג ביצועי צילום טובים במצלמות קטנות וזולות, ניתן לעקוף את אילוצי משולש החשיפה ע״י צילום תמונות בצורה לא קונבנציונלית, ולאחר מכן ביצוע תיקון בתהליך עיבוד תמונה מתקדם. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Optica, שיטת תכנון כזו הודגמה כדי לפצות על טשטוש כתוצאה מתנועה, ע"י קידוד מרחבי-זמני של המריחה בצבעים שונים.

 

במסגרת המחקר בקבוצה, פותחה שיטת תכנון למצלמה הכוללת תכנון משולב של האופטיקה ושל אלגוריתם עיבוד התמונה בתהליך יחיד, מקצה לקצה (End-to-End), ע"י שימוש בכלים של למידה עמוקה (Deep Learning). בשיטה זו, המערכת נבחנת כיחידה אחת, וכלל דרגות החופש (פיזיות- באופטיקה, ודיגיטליות- באלגוריתם העיבוד) מנוצלות בתהליך התכנון כדי להשיג את המטרה הרצויה. שיטה זו הודגמה במאמרים קודמים לפיתוח מצלמת All-in-focus וכן למצלמה שמאפשרת מדידת מרחק מתמונה בודדת (עבודה זו זכתה ב-2018 במקום הראשון בתחרות סטודנטים של ה-OSA שכותרתה הייתה “The Optical System of the Future”).

 

במסגרת המחקר הנוכחי, בוצע תהליך תכנון משולב של העדשה ותהליך רכישת התמונה, והן של תהליך עיבוד התמונה הגולמית, במטרה לבצע תיקון לטשטוש כתוצאה מתנועה. מטרת התכנון היא 'לשתול' בתמונה הגולמית רמזים לנתוני התנועה, מה שיאפשר לבצע בתהליך עיבוד התמונה תיקון של המריחה שנוצרה כתוצאה מהתנועה. הרמזים נשתלים ע"י שני רכיבים אופטיים: לוחית שקופה שמשולבת בעדשה רגילה, ועדשת מיקוד (פוקוס) אלקטרונית. הלוחית מכילה מבנה מיקרומטרי שמתוכנן לייצר תלות בין צבע למיקוד. עדשת המיקוד מתוזמנת כך שתבצע שינוי מיקוד הדרגתי תוך כדי הצילום, וכתוצאה מכך המריחה של עצמים נעים נצבעת בצבעים שונים לאורך התנועה (תמונות 3,4). קידוד הצבעים נותן הכוונה חזקה לאלגוריתם העיבוד על כיוון ומהירות התנועה, מה שמאפשר תיקון של המריחה ושחזור תמונה חדה. השיטה הודגמה באמצעות אבטיפוס שמבוסס על מצלמה מסחרית, ששולבו בה לוחית הפאזה ועדשת המיקוד האלקטרונית. המערכת השיגה שיפור משמועתי בביצועי הצילום יחסית לשיטות קיימות שמתבססות על עיבוד תמונה בלבד (תמונה 5), והן ביחס לשיטות אחרות שמבצעות שינוי באופטיקה בשילוב עם עיבוד מותאם.

תמונה 3: תרשים זרימה של התהליך (התמונה מתוך המאמר)

 

תמונה 4: הדגמה לקידוד תנועה-צבע: צילום של נורית לבנה בתנועה עם המצלמה שפותחה. הקידוד משתנה תוך כדי החשיפה, כך שהנורה הלבנה נקלטת בצבעים שונים לאורך התנועה שלה, וסדר הצבעים והמרחק ביניהם נותן אינדיקציה לכיוון ומהירות התנועה (התמונה מתוך המאמר).

 

תמונה 5: צילומים של תמונה שמסתובבת תוך כדי החשיפה והשוואת ביצועים: משמאל: תוצאת המצלמה שלנו. מימין: צילום במצלמה רגילה וניסיון שחזור של הטשטוש עם אלגוריתם מבוסס למידה עמוקה (התמונה מתוך המאמר).

 

מאחורי העדשה

כאמור, המחקר בוצע ע"י הדוקטורנט שי אלמלם, בהנחיה משותפת של פרופ' עמנואל מרום ז"ל וד"ר רג'א ג'יריס. בצער רב, פרופ' מרום נפטר במהלך העבודה, והמאמר שפורסם מוקדש לזכרו. פרופ' מרום היה ממקימי הפקולטה להנדסה, שימש כדקאן הפקולטה בשנים 1980-1983, ובתפקידו האחרון היה סגן נשיא האוניברסיטה בשנים 1992-1997. לאחר פרישתו המשיך לעסוק במחקר פעיל ולהנחות סטודנטים לתארים מתקדמים, עד יומו האחרון.

 

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

 

 

 

קובייה מתכתית

מחקר

22.07.2020
המהוד האופטי הקטן בעולם לקרינה אינפרא-אדומה

ד"ר איתי אפשטיין, יחד עם חוקרים מספרד, ארה"ב, פורטוגל וצרפת, הצליחו לבנות מהוד אופטי אשר מסוגל לדחוס קרינה אינפרא-אדומה לחלל הקטן פי מיליארד מנפחה הרגיל

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

בדומה להקטנת גודלם של מעגלים אלקטרוניים, המאפשרים טכנולוגיות כמו מחשבים וסמארטפונים, השאיפה ליצור טכנולוגיה עתידית המבוססת על מעגלים ושבבים אופטיים מונעת גם היא ע"י הצורך במזעור. יחד עם זאת, מזעור זה כרוך באתגרים ובמכשולים חדשים שיש להתגבר עליהם, כמו שליטה והולכה של אור בסקלת הננומטר. לאור זאת, טכניקות חדשות מפותחות כל הזמן אשר מטרתן לדחוס את האור לחללים זעירים במיוחד - קטנים פי מיליונים מאורך הגל של האור ומתחת לגבול הדיפרקציה, שמסמל את הגודל או הנפח הקטן ביותר אליו ניתן לדחוס גלי אור. דבר זה קשה במיוחד בתחום הספקטראלי של קרינה אינפרא-אדומה, מכיוון שהיא מאופיינת ע"י אורכי גל גדולים, בסקלות של עשרות עד מאות מיקרומטרים.

 

גלים פלזמונים בגרפן

גרפן - חומר דו-ממדי הבנוי משכבה אחת של אטומי פחמן - משלב תכונות אופטיות וחשמליות יוצאות דופן. גרפן מסוגל להנחות אור בצורה של "גלים פלזמונים", שהם תנודות של אלקטרונים המצומדות לשדה האלקטרומגנטי של האור. לפלזמונים (יחידת אנרגיה של תנודות בפלזמה) אלו יכולת טבעית לדחוס אור לחללים קטנים מאוד. עם זאת, עד עכשיו ניתן היה ​​לדחוס את הפלזמונים הללו בצורה המוגבלת לסקלות מיקרומטריות, בעוד שיכולתו של האור לבצע אינטראקציה עם חלקיקים קטנים, כמו אטומים ומולקולות, תלויה ביכולת לדחוס אותו לחללים בסקלות הרבה יותר קטנות. סוג זה של דחיסה נחשב בדרך כלל למהוד אופטי.

 

סוג חדש של מהוד אופטי

כעת, במחקר שהוביל ד"ר איתי אפשטיין, איש סגל חדש במחלקה לאלקטרוניקה פיסיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה, אשר בוצע כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט שלו יחד עם חוקרים נוספים מספרד, פורטוגל, צרפת, ברזיל וארה"ב, הצליחו החוקרים לבנות סוג חדש של מהוד אופטי. המהוד, שמבוסס על שילוב של קוביות מתכת בגודל ננומטרי המפוזרות על גבי הגרפן, איפשר לייצר את המהוד האופטי הקטן ביותר שנבנה עד כה לקרינה אינפרא-אדומה, ואשר מבוסס על הפלזמונים בגרפן.

 

בניסוי, החוקרים השתמשו בקוביות מתכתיות בגודל 50 ננומטר בלבד, אשר מפוזרות באופן אקראי על שכבת הגרפן ללא דפוס או כיוון ספציפי. זה איפשר לכל קוביה, ביחד עם הגרפן, לפעול כמהוד אופטי בודד. לאחר מכן הם העבירו אור אינפרא-אדום דרך הדגם ומדדו כיצד הפלזמונים נדחסים לנפח קטן מאוד בין הגרפן והקוביות.

 

מבעיה לפתרון

ד"ר אפשטיין מציין כי "המכשול העיקרי בו נתקלנו בניסוי זה הוא העובדה שאורך הגל של אור אינפרא-אדום גדול מאוד והקוביות קטנות מאוד - בערך פי 200 - כך שקשה מאוד לגרום להם לבצע אינטראקציה זה עם זה". כדי להתגבר על הבעיה הם ניצלו תופעה מיוחדת - כאשר הפלזמונים נדחסו אל המהוד הם יצרו אופן תהודה הנקרא אופן תהודה מגנטי. ד"ר אפשטיין מבהיר: "תכונה ייחודית של אופן תהודה מגנטי מסוג זה היא היכולת לפעול כסוג של אנטנה המגשרת על ההבדל בין הממדים הננומטריים של הקוביה לבין המימדים הגדולים של האור האינפרא-אדום". לפיכך, אופן התהודה איפשר לדחוס את הפלזמונים לנפח הקטן פי מיליארד מהנפח של אור אינפרא-אדום רגיל, דבר שמעולם לא הושג לפני כן. בנוסף, החוקרים גילו שהמהוד משמש גם כסוג חדש של אנטנה ננומטרית שיכולה לפזר אור אינפרא-אדום ביעילות רבה.

 

תוצאות מחקר מבטיחות

לרוב החומרים המולקולריים קיימים מעברים אנרגטיים בספטרום האינפרא-אדום, ומכוון שגישה זו, של דחיסת האור לחללים מאד קטנים, מסוגלת לחזק את השדה האופטי בצורה ניכרת, ניתן להשתמש בה כדי לאתר חומרים מולקולריים, המגיבים לאור אינפרא-אדום. מבחינה זו תוצאות המחקר מבטיחות בתחום של גלאים חדשים לחישה מולקולרית וביולוגית, רפואה, ביוטכנולוגיה, בדיקת מזון ואפילו ביטחון. גלאים אלו יעזרו לאתר חומרים מולקולריים רעילים או מסוכנים, הנמצאים במזון או בציוד הנ"ל.

 

העבודה בוצעה כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט של ד"ר אפשטיין, במכון המחקר ICFO – The Institute of Photonic Sciences, בברצלונה, ספרד, והתפרסמה בירחון המדעי Science.

 

את המאמר המלא ניתן למצוא כאן.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 ״זרימה לאחור״ של אור הנע קדימה

מחקר

12.03.2020
״זרימה לאחור״ של אור הנע קדימה

ד"ר אלון באב"ד, יחד עם תלמידי המחקר שלו הצליחו להדגים לראשונה את התופעה "זרימה לאחור" המבוססת על רעיון שעלה לפני כחמישים שנה במסגרת המכניקה הקוונטית אך לא הודגם מעולם בשום ניסוי

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

דמיינו כדור הנזרק קדימה בחלל חופשי. בכל רגע ורגע לאחר הזריקה, אם נמדוד את כיוון התנועה של הכדור הוא ימשיך לנוע קדימה. התוצאה הברורה הזו, כלל וכלל איננה מחויבת המציאות כאשר מדובר בתנועה של חלקיקים מיקרוסקופיים אשר תנועתם מצייתת לחוקים המוזרים של המכניקה הקוונטית. לפי תורה זו חלקיק יכול להתנהג גם כגל.

 

מאחר שגלים שונים יכולים להתחבר ביחד בתהליך הנקרא התאבכות, גם חלקיק הנע קדימה יכול להיות מורכב מאוסף של גלים אשר נעים כולם קדימה. ההשלכות של התאבכות זו יכולות להיות  מוזרות ולא אינטואיטיביות. עם בחירה נכונה של משרעות הגלים (עד כמה חזק הם מתנדנדים) והשהיה יחסית ביניהם ניתן ליצור חלקיק אשר למרות שהוא מורכב מגלים שכולם נעים קדימה, אם התנועה שלו תמדד במקומות מסוימים במרחב ובזמנים מסוימים – יתגלה שהחלקיק נע אחורה. בשאר המקומות והזמנים – אם תנועת החלקיק תימדד הוא ימצא כנע קדימה. למעשה הסיכוי למצוא את החלקיק נע קדימה הוא עדיין גדול בהרבה מהסיכוי למצוא אותו נע אחורה. כמו כן ההתאבכות המייצרת את אותה ״זרימה לאחור״ היא מאוד עדינה – שינוי קטן במשרעת של הגלים או בהשהיה היחסית שלהם תהרוס בקלות את תופעת ״הזרימה לאחור״. מאחר שהתופעה הזו כה רגישה, עד היום לא הצליחו להבחין בה בשום מעבדה בעולם.

 

במעבדתו של ד״ר אלון באב״ד מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב הצליחו כעת להדגים את התופעה עם אור. הרעיון הבסיסי במרכז המחקר הוא שגם אור הוא תופעה גלית, וכמו החלקיק קוונטי, יכול להיות מורכב מאוסף של גלים הנעים לכיוון מסוים.

בניסוי במעבדה של ד"ר באב"ד The Physical Optics group השתמשו החוקרים ותלמידי המחקר יניב אליעזר, שנמצא כיום בפוסט דוקטורט באוניברסיטת ייל, ותומאס זכריאס, באלומת לייזר אשר פוצלה והורכבה מחדש כאוסף של גלים הנעים כולם בזוית חיובית יחסית לציר שנקבע מראש. אסופת הגלים הזו חושבה מראש כך שתוכל לייצר את תופעת ה״זרימה לאחור״. כעת בהזזת חריץ קטן לרוחב אלומת האור נעשית המדידה המקומית של כיוון זרימת האור. ברוב המיקומים בהם הושם החריץ, האור אשר יצא ממנו המשיך לנוע בכיוון המאופיין עם זוית חיובית, אך במספר מקומות מוגדרים – האור אשר בקע מהחריץ נע בכיוון המאופיין עם זוית שלילית, מאשש בכך את התופעה המדוברת. למחקר זה יכולות להיות השלכות בתחומים הדורשים שליטה מדויקת בפילוג המרחבי של עוצמת אור בנפחים קטנים, כמו מיקרוסקופיה, חישה והנעה של חלקיקים זעירים. 

 

*עוד ניתן לקרוא על המחקר של ד"ר באב"ד במגזין היוקרתי Optica שהתפרסם חודש שעבר - למאמר המלא במגזין Optica

 

*לכתבה המלאה בעיתון הארץ

 

 

   

 

 

 

דימות וגילוי מרחוק ע"י גלי טרה-הרץ

מחקר

12.05.2019
דימות וגילוי מרחוק ע"י גלי טרה-הרץ יאפשרו זיהוי של חומרי נפץ, תרופות

פרופ' טל אלנבוגן יחד עם סטודנטים מקבוצת המחקר שלו פיתחו טכנולוגיה חדשה ליצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

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

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 >>