תצפית על תזוזת Goos-Hänchen בהטלה נורמלית בגריטות ננומטריות משופעות של TiO2

אור שמחליק הצידה

כשקרן פנס פוגעת במראה או בחלון, אנחנו מצפים שהיא תוחזר ישר או תעבור ישר. אבל בקני מידה זעירים מאוד האור יכול להתנהג בדרך עדינה יותר: קרן מוחזרת או מוסטת יכולה למעשה להחליק הצידה במרחק של רבים מאורכי הגל לפני יציאתה. המחקר הזה מראה כיצד לגרום להחלקה הצידית הזו להתרחש באופן דרמטי, גם כאשר האור פוגע במשטח בזווית ישרה, באמצעות שורות מעוצבות בקנה המידה הננומטרי של תחמוצת הטיטניום. שליטה כזו בהסטות זעירות של קרניים עשויה להיות שימושית לבניית ממירי אופטי קומפקטיים וחיישנים בתוך שבבים עתידיים.

מדוע האור יכול לפספס את הנקודה

העתק ההטיה הצידי של קרן אור במשטח נקרא תזוזת Goos–Hänchen, על שם המדענים שמדדו אותה לראשונה. בחומרים יום-יומיים התזוזה הזו זעירה — בגודל של כמידת אורך גל — ולכן קשה לגילוי ולא מעשית. עבודות קודמות הראו שמטאסרטים מיוחדים, דפוסים המהונדסים בגודל קטן מאורך הגל, יכולים להגביר אפקט זה על ידי אילוץ האור להיכנס ברזוננסים חזקים בזמן ההחזרה או המעבר. עם זאת, כמעט כל ההדגמות הקודמות דרשו שהאור יגיע בזווית משופעת, לא ישירות, מכיוון שקרן משופעת שוברת במובן טבעי את הסימטריה המראה של המשטח ומאפשרת להופעת ההזזה.

להטות את המבנה, לא את הקרן

המחברים הפכו את הבעיה: במקום להטות את הקרן הנכנסת, הם הטו את המבנה עצמו. הם תכננו חריץ חד-ממדי עשוי תחמוצת הטיטניום, חומר שקוף ובעל מקדם שבירה גבוה הנפוץ באופטיקה. הגריט כולל גבשושיות מקבילות במרווח תקופתי הקטן במעט מאורך גל האור האדום. כאשר הגבוליות עומדות אנכית לחלוטין, הדפוס סימטרי מראה ויכול ללכוד גליו אור מסוימים במצבים "קשורים" מיוחדים שאינם מקרינים החוצה. בהחדרת שיפוע קל לצלעות הם שוברים בעדינות את הסימטריה הזו. המצבים הלכודים אז מדליפים במידה מספקת כדי ליצור אינטראקציה חזקה עם האור העוברת, ויוצרים תהודה חדה מאוד שבה ההעברה כמעט מגיעה ל-100 אחוז בעוד פאזת האור משתנה בחדות עם הכיוון.

מזרמי אנרגיה סמויים להסטות ענק

באמצעות סימולציות ממוחשבות מפורטות, הצוות הראה ששבירת הסימטריה יוצרת זרמי אנרגיה חזקים הצידה בתוך הגריט, גם כשהקרן הנכנסת מצביעה ישירות עליו. באורכי גל בסמוך לתהודה סביב 780 ננומטר, הזרימה הלטרלית נעשית דומיננטית ותזוזת Goos–Hänchen המחושבת יכולה להגיע למאות אורכי גל — הרבה יותר גדולה מממשקים רגילים. בסימולציה של קרן אור ריאליסטית ברוחב סופי הם מצאו שהקרן המשודרת יכולה להתפצל או להפוך את כיוון ההסטה על פני שברים של ננומטר באורך הגל, סימן ישיר של התהודה החדה הבסיסית שיצרו הגריטות המשופעות.

חציבת מעקות ננומטריים

כדי לממש את התכנון בפועל, החוקרים פיתחו תהליך ייצור מדויק בהתבסס על חריטת קרן יון ריאקטיבית. התחילו מווייפר קוורץ שטוח מצופה בשכבת תחמוצת טיטניום ומסכת מתכת, השתמשו בליתוגרפיה בקרן אלקטרונים כדי להגדיר את דפוס הגריט ואז חרטו את הגבשושיות כשהדגימה מוחזקת בזווית מבוקרת. באמצעות איזון זהיר בין חריטה כימית ופיזיקלית הם השיגו קירות צד חלקים ומשופעים בצורה אחידה מבלי להסתמך על תבניות מותאמות אישית לכל זווית. מדידות בנקודות רבות על פני הדגימה הראו שהתקופה, הרוחב, הגובה וזווית השיפוע התאימו לתכנון בטווח של בערך אחוז אחד, מה שמעיד על מבנים ננומטריים בעלי חזרתיות גבוהה על פני שטחים גדולים.

לראות את הקרן מחליקה

כדי לצפות בניסוי בהסטה הצידית, הצוות אישר תחילה, באמצעות מדידות השתקפות תלויות-זווית, שהגריטות המשופעות תומכות בתהודות החדות החזוייתיות שמופיעות רק כשהגבשושיות משופעות. לאחר מכן הם בנו מערכת שדה-אור שבה מערכים של חורים קטנים ייצרו קרניים צרות, כמעט מקבילות, שעברו דרך סרט TiO2 חלק או דרך הגריט המשופע המעוצב. באורכי גל מחוץ לתהודה, הנקודות היוצאות משני המדגמים הוקמו אחת על גבי השנייה. אך כאשר מסנן פס בודד בחר אור בסמוך ל-780 ננומטר, הנקודה היוצאת מהגריט המשופע הוסטה הצידה בכ-חמישה מיקרומטרים יחסית לסרט התייחסות — עדות ברורה לתזוזת Goos–Hänchen בהטלה נורמלית. ההסטה הנמדדת הייתה קטנה יותר מהתחזיות האידיאליות של הסימולציות, ככל הנראה מפני שמקור האור היה בעל רוחב ספקטרלי סופי והמבנים האמיתיים סטו במעט מהגיאומטריה המושלמת.

דרכים חדשות לניתוב אור על שבב

במונחים פשוטים, עבודה זו מראה שניתן לנתב קרן אור הצידה מבלי להטות את הקרן עצמה — פשוט על-ידי עיצוב פני השטח שהיא עוברת דרכם לגבשושיות קטנות ומשופעות. המחברים מדגימים הן את עקרונות התכנון והן מסלול ייצור מעשי למבנים כאלה, ובאופן ישיר מודדים את הזזת הקרן שנוצרת. מסוג זה של שליטה נפתחות אפשרויות חדשות לבניית רכיבים אופטיים שטוחים וללא צורך בכוונון, שמזיזים קרני אור בכמויות מבוקרות, ומאפשרים מכשירי הסטת קרן קומפקטיים, חיישנים על-שבב ומעגלים ננופוטוניים שימושיים יותר.

ציטוט: Ji, X., Wang, B., Pan, R. et al. Observation of Goos-Hänchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO₂ Nanogratings. npj Nanophoton. 3, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00108-6

מילות מפתח: תזוזת Goos-Hänchen, גריטות ננומטריות משופעות, מטאסרטים, הטיית קרניים, ננופוטוניקה