מהו הצליל שמשמיע האור? שיטה הנדסית מתקדמת אפשרה לחוקרים בשווייץ לפתח מיתר זעיר בעל תכונות יוצאות דופן, שיוכל לשמש מיקרופון עבור חלקיקי אור

בעולם המתפתח של הננו-טכנולוגיה, מדענים מחפשים ללא הרף אחרי חומרים חדשים, בעלי תכונות שימושיות לבניית רכיבים זעירים. שיטה הנדסית חדשה מאפשרת לשנות ולהתאים את תכונותיהם של חומרים קיימים. איך בדיוק? השיטה המוכרת לשינוי התכונות של חומרים היא באמצעות תגובה כימית שבסופה מתקבל חומר בעל תכונות שונות מאלה של החומרים המקוריים.

השיטה החדשה פועלת אחרת. לא נדרשת בה תגובה כימית, ושינוי התכונות נעשה באופן מכני, באמצעות הפעלת עומס (למשל מתיחה) על הגוף, שגורמת לו לשנות את צורתו. אם נסתכל מה קורה בתוך החומר, ברמה האטומית, נגלה ששינוי הצורה מתבטא במרחקים בין האטומים. כל עוד החומר גמיש (אלסטי), הפעלת העומס אינה גורמת נזק, מכיוון שמדובר בשינוי הפיך: אם נסיר את העומס, הגוף יכול לחזור לצורתו המקורית.

השליטה המבוקרת על התכונות של החומר פותחת בפנינו עולם שלם של אפשרויות. במעבדה של טוביאס קיפנברג (Kippenberg) במכון הטכנולוגי של לוזאן בשוויץ השתמשו בשיטה הזו כדי לפתח מיתר זעיר בעל תכונות יוצאות דופן. המתיחה שלו שינתה את צורתו ולכן את תכונותיו. המיתר, שעוביו 10 ננומטר (עשר מיליוניות המיליממטר) בלבד, נמתח לאורך של סנטימטר שלם, דבר שמשול למצב שבו נמתח את גשר שער הזהב בסן-פרנסיסקו על פני האוקיינוס השקט כולו.

כאן הזמן לחשוב מה קורה כשאנחנו מותחים מיתר של גיטרה? הצליל שנשמע כשנפרוט עליו יהיה שונה מאשר לפני המתיחה, וגם משך הזמן שהצליל יישמע בו יהיה שונה. הצליל מייצג את התדירות של תנודות המיתר ומשך הזמן שבו הצליל נשמע – את מספר התנודות שנוצרו. כשפורטים על המיתר הזעיר הזה הוא ממשיך לרטוט במשך עשרות דקות. ההישג הזה שווה ערך למיתר גיטרה שהיה ממשיך להשמיע צליל במשך חודש שלם.

המיתר הזעיר יוכל לשמש לבניית חיישן כוח רגיש מאוד, שיהיה מסוגל לזהות הפעלת כוח זעירה של 10-18 ניוטונים בלבד. לשם השוואה, הכוח שאנו מפעילים על מיתר הגיטרה כשאנחנו פורטים עליו עומד על כמה ניוטונים. חיישנים רגישים כל כך נדרשים בתחומים רבים בתעשייה, למשל בפיתוח דור העתיד של סורקי MRI (הדמיה באמצעות תהודה מגנטית).

יישום אפשרי מעניין נוסף הוא "מיקרופון" רגיש במיוחד, שיאפשר לנו לשמוע את הצליל של הפוטונים (חלקיקי אור) באלומת לייזר. כשהחלקיקים יפגעו במיתר הם יפעילו עליו כוח זעיר, וכך יפרטו עליו ויגרמו לו לרטוט, ממש כמו בנגינה בגיטרה. כך נוכל לשמוע את הצליל שמשמיע האור.

הכתבה נכתבה במסגרת השתלמות של תלמידי קורס "התנסות בתקשורת המדע" של פרופ' אילת ברעם-צברי בפקולטה לחינוך למדע וטכנולוגיה, הטכניון.