מהם על-חומרים (Metamaterials)? זהו שם כולל לחומרים "מהונדסים" עם תכונות מתוכננות מראש, אשר לא בקלות נמצא אותן בחומרים טבעיים. בהקשר של אופטיקה, אחת המטרות הראשיות בתחום הינה שליטה במקדם השבירה של האור. כאשר קרן עוברת מתווך אחד לשני, היא חווה שינוי במהירות בה מתקדם הגל האלקטרומגנטי שינוי אשר מתואר על-ידי מקדם השבירה, וחוק סנל (Snells Law). מקדם השבירה מתאר גם את מידת הבליעה של האור בתווך בו הוא עובר, וקיימים קשרים מתמטיים בין התנהגות מהירות הגל כפונקציה של התדר, לבין התנהגות הבליעה של הגל כפונקציה של התדר. ניתן אף להכליל את מקדם השבירה לחומרים בהם תכונותיו תלויות גם בכיוון הקרן, מצב המכונה אנאיזוטרופיות. מכל הנאמר אנו למדים כי על ידי שליטה בתווך בו עובר האור, אנו יכולים באופן עקרוני לשלוט באור במספר דרכים.

אחת האפשרויות המרתקות ביותר הינה קיומו של מקדם שבירה שלילי, מצב שבו קורים מספר דברים "מוזרים" לאור, ביניהם: שינוי כיוון הקרן הנשברת (חוק סנל) מתהפך, ושטף האנרגיה האלקטרומגנטית הפוך ביחס למהירות הגל. האפשרות התיאורטית נחזתה כבר באופן עקיף ב-1904 על ידי הפיזיקאים לאמב ושוסטר (Lamb & Schuster), ומאוחר יותר ובאופן יותר מודרני על ידי הפיזיקאים מנדלשטם, סיווקין ווסלגו (Mandel’stam, Sivukin & Veselago), אשר אף טבעו את המונח "מקדם שבירה שלילי". לאחרונה היה זה סיר ג'ון פנדרי (Pendry) אשר תרם מספר תרומות מכריעות לתחום, ביניהן הוא העלה את האפשרות התיאורטית כי ניתן לייצר מחומרים בעלי מקדם שבירה שלילי עדשות-על בעלות יכולת רזולוציה טובה יותר מן הגבול המוכר עד כה של אורך גל אופטי.

עד היום לא נמצאו בטבע חומרים בעלי מקדם שבירה שלילי, מכיוון שתכונה זו דורשת חומר בעל רגישות גבוהה לשדה מגנטי, שזו האחרונה תכונה נדירה יחסית. ישנן מספר גישות להנדסה של חומרים כאלו, אולם כולן נשענות על העיקרון של הגברת התגובה של החומר לשדה המגנטי על ידי הנדסה של החומר החדש בסקאלה של האורך-גל האופטי. לכן משתנות האסטרטגיות בהתאם לתחום התדרים אשר בו מתעניינים: ככל שעולים בתדר, יש צורך להנדס מבנים קטנים יותר. בתחום האור הנראה, למשל, יש צורך בננו-מבנים, מכיוון שאורך הגל האופטי הוא בתחום הננומטר. בתמונה אנו רואים מספר דוגמאות לעל-חומרים אשר להם מקדם שבירה שלילי. חומרים אלו מיוצרים בטכניקות שונות, ואשר מיועדים לתחומים שונים של הספקטרום, למשל לתדרי אינפרה-אדום או אופטי.

בנוסף, חוקרים שונים טוענים כי ניתן יהיה לשלוט על תכונותיכם של על-חומרים באמצעות שילובם של חומרים אלקטרו-אופטיים בתוך המבנה הננו-מטרי, ושינוי תכונותיהם על ידי מעגלים חשמליים נלווים. האם עולים בדעתכם שימושים נוספים לחומרים בעלי מקדם שבירה שלילי?

 

מאת: ערן גינוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.