Final projects - אלקטרו-אופטיקה תשפ"ה

הרקע לפרויקט:

הטכנולוגיה הרלוונטית לפרויקט היא, מדידות פלואורסצנטיות באמצעות מצלמה. הפלואורסנציה הנמדדת פרופורציוני לריכוז הצבעים שנקשרו לגורמים של המלה המתבטאים בדם או ברוק של החולה

מטרת הפרויקט:

ההישג יהיה, הרכבת מערכת המסוגלת למדוד מספר צבעים הפולטים פלואורסצנציה באורכי גל שונים. כך שכל צבע ייקשרלגורם אחר המתבטא בדם או רוק של החולה.

תכולת הפרויקט:

על הסטודנטים להרכיב את המערכת, להצמיד את הצבענים לבידים מגנטיים וביצוע מדידה בה שני צבעים שונים מקשרים שני גורמי מחלה שונים

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה מודרנית ואלקטרו-אופטיקה

מקורות:

https://www.amosdaniellilab.com/

הרקע לפרויקט:

שיטות רבות פותחו ונלמדו למציאת דרך חדשנית לטיפול בסרטן. אחת משיטות אלו לטיפול בגידולים סרטניים היא תרפיה פוטודינאמית. הצורך בפיתוח של ננו חלקיקים כמערכות הובלה של תרופות לגידולים סרטניים וביניהם תרופות שמשמשות לטיפול הפוטודינאמי הולך ומתגבר. נשתמש בקומפלקס שפותח במעבדה של ננו חלקיקי זהב שמחוברים לתרופה פוטודינאמית בתאי סרטן ונבחן את התאים לאחר שילוב של טיפולים נוגדי סרטן על ידי הקרנות בלייזר.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבחון את הטיפול הפוטודינאמי והטיפול התרמי לאחר שימוש בקומפלקס של ננו חלקיקי זהב שקשורים לתרופה. לשם כך, נגדל תאים סרטניים, נבחן את התאים לאחר קליטת החלקיקים בתאים, נבצע טיפול אנטי סרטני בתאים ונאבחן את התאים לאחר הטיפול. לאחר מכן נתכנן טיפול רפואי מותאם אישי על ידי אלגוריתם שנפתח ומודלים של למידת מכונה הלוקח בחשבון פרמטרים כגון עוצמת הלייזר ומשך זמן הקרנה כדי להשיג תוצאה המותאמת לגידול ספציפי.

תכולת הפרויקט:

• לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים.
• טיפול בתאים בעזרת קומפלקס של ננו חלקיקי זהב שקשורים לתרופה.
• מעקב אחר התאים שכולל כימות של התאים לאחר הטיפול האנטי סרטני בעזרת
Image J, בדיקת מורפולוגיה ופרמטרים נוספים.

קורסי קדם:

ביולוגיה למהנדסים

דרישות נוספות:

ידע מוקדם בImage J ו-Matlab או Python

מקורות:

https://www.frontiersin.org/journals/oncology/articles/10.3389/fonc.202…

הרקע לפרויקט:

EEG - Electroencephalogram is a test that measures electrical activity in the brain, has high temporal resolution, but low spatial.
SCOS - Speckle Contrast Optical Spectroscopy is a technique to measure cerebral blood flow velocity changes using Electrooptical devices (fibers, lasers, camera). Has relatively high spatial resolution, and relatively low temporal resolution.
The idea to combine both systems to get spatial and temporal resolution.

מטרת הפרויקט:

Performing measurements on participants and analysis of the data.

תכולת הפרויקט:

- Building and configuring the system
- Taking Measurements
- Organization and Analysis of the data

קורסי קדם:

Introduction to Modern Optics and Electro-Optics

דרישות נוספות:

מוכנות לאתגרים :)

מקורות:

https://www.nature.com/articles/s42003-023-05211-4

הרקע לפרויקט:

לייזרי קסקדה קוונטיים מבוססי גליום ארסנייד הינם המקור היעיל ביותר לקרינת טרה-הרץ. עם זאת, טמפרטורת העבודה של לייזרים אלה מוגבלת ואינה עולה על 200 קלווין. בשל כך כדיי להפעיל את לייזרי הקסקדה הקוונטיים לתחום הטרהרץ נדרש לקרר אותם לטמפרטורות נמוכות סביב 150 קלווין. כדיי לקרר יש צורך לצמד את הלייזרים למקרר המקשה על אינטגרציה של מקורות הקרינה אלה במערכות אלקטרואופטיות. הפרויקט יעסוק בחקר הביצועים של מבני לייזרי קסקדה קוונטיים לתחום הטרהרץ במטרה להבין את מנגנוני הפעולה שלהם ולאפשר מבנים איתם יהיה אפשר לעבוד בטמפרטורת החדר.

מטרת הפרויקט:

במהלך הפרויקט הסטודנטים יחקרו את ביצועיהם של מבנים שונים של לייזרי קסקדה קוונטים לתחום הטרה-הרץ בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו). לאחר השוואה של הפרמטרים הפיזיקאליים של מספר מבנים שונים, הסטודנטים ימליצו על מבנים חדישים הצפויים לתת ביצועי טמפרטורה משופרים.

תכולת הפרויקט:

בעזרת תוכנה ייעודית (נקסט-ננו) הסטודנטים יבצעו סימולציה של מספר מבנים של לייזרי קסקדה קוונטיים לתחום הטרה-הרץ וייחלצו מהסימולציה של המבנים פרמטרים כמו עקומות זרם-מתח וספקטרום של ההגבר של הלייזר במתחים וטמפרטורות שונות.

קורסי קדם:

נטייה לקורסים פיזיקאליים.

דרישות נוספות:

הכירות עם תוכנת מטלאב. כישורי מחשב וסימולציה.

מקורות:

https://www.nextnano.com/customer/tutorials.php

הרקע לפרויקט:

המהפכה הקוונטית השנייה משנה את עולם הטכנולוגיה כבר קיום. החיפוש אחרי מקור פליטה של פוטון בודד אשר יכול לפעול בטמפרטורת החדר ובעל יעילות קוונטית גבוהה מהווה נושא מחקר בהמון תחומים שונים קיום. פגמים נקודתיים בשכבות דו ממדיות הם פלטפורמה מבטיחה לפיתוח של מרכז צבע פולט אור בטמפרטורת החדר ואינטגרציה של מבנים אלו בהתקנים אופטואלקטרוניים קיימים .

קשה לקבוע את המבנה של אותם פגמים נקודתיים בתוך השכבות הדו ממדיות ולכן חישובים של מבנה אלקטרוני של חומרים , הפותרים את משוואת שרדינגר בצורה נומרית ללא ידע מוקדם מניסוי , מהווים בסיס לקביעת המבנה של פגמים אלו ויכולים לעזור בפיענוח של תכונות ספקטרוסקופיות כלומר הבנה כיצד משפיע המבנה של הפגמים בתוך השכבות על התכונות האופטיות של החומרים . סימולציות אלו יכולות לעזור בפיתוח של מקור פליטה של פוטון בודד אשר יכול להוות אבן בסיס לטכנולוגיות קוונטיות שונות , כגון : מחשוב קוונטי , גלאים קוונטים ותקשורת קוונטית.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות אופטיות ומבניות של פגמים נקודתיים בשכבות דו מימדיות על ידי סימולציות first principle ללא ידע מוקדם מניסוי .
הסטודנט יחקור כיצד מודלים תאורטיים מבניים שונים של פגמים נקודתיים בשכבות דו ממדיות המתאימות לאירוח של מרכזי צבע פולטי אור משפיעים על התכונות האופטיות של החומרים השונים. דוגמא לחומר אחד כזה הוא בורון ניטרידי הקסגונלי . הסטודנט יחקור כיצד מבנים שונים של פגמים יכולים לשנות את מצב היסוד הספיני , דבר אשר חשוב עבור פיתוח של מקור פולט פוטון בודד בטמפרטורת החדר שיכול להוות קיוביט , אבן הבסיס של מחשב קוונטי.
הסטודנט יחקור מספר שכבות וינסה מספר שיטות המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על מקורות אור בודדים המבוססים על פגמים נקודתיים בחומרים.
• סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.
• יצירת מודלים תאורטיים למבנים אפשריים של פגמים נקודתיים בחומרים דו ממדים.
• סימולציות של תכונות מבניות של החומרים הננו מטרים כגון אנרגית יצירה של פגמים אלו ע"י שיטות
• חישוב מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת פונקציונאל הצפיפות.

קורסי קדם:

83204 מכניקה קוונטית שימושית או קורס מקביל במכניקה קוונטית

דרישות נוספות:

מבנה אלקטרוני של חומרים ומולקולות

מקורות:

1. Tran, T. T.; Bray, K.; Ford, M. J.; Toth, M.; Aharonovich, I. Quantum Emission from Hexagonal Boron Nitride Monolayers. Nat. Nanotechnol. 2016, 11 (1), 37–41. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.242.*
2. Dreyer, C. E.; Alkauskas, A.; Lyons, J. L.; Janotti, A.; Van de Walle, C. G. First-Principles Calculations of Point Defects for Quantum Technologies. Annu. Rev. Mater. Res. 2018, 48 (1), 1–26. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070317-124453.*
3. Goldzak, T.; McIsaac, A. R.; Van Voorhis, T. Colloidal CdSe Nanocrystals Are Inherently Defective. Nat. Commun. 2021, 12 (1), 890. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21153-z.
4. Laorenza, D. W.; Kairalapova, A.; Bayliss, S. L.; Goldzak, T.; Greene, S. M.; Weiss, L. R.; Deb, P.; Mintun, P. J.; Collins, K. A.; Awschalom, D. D.; Berkelbach, T. C.; Freedman, D. E. Tunable Cr4+ Molecular Color Centers. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (50), 21350–21363.

הרקע לפרויקט:

חישוב תכונות של חומרים ומולקולות כיום הינו תחום רחב הנותן מענה לניבוי תכונות של חומרים חדשים ועוזר בהבנת מנגנונים של תגובות כימיות ומעבר של אלקטרונים בין ממשקים של חומרים שונים.
שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני של מוצקים (electronic structure methods) מבוססות כיום בעיקר על תורת פונקציונאל הצפיפות . תורה זו הינה יעילה חישובית ונותנת תוצאות טובות עבור תכונות מסוימות של חומרים, אבל מתקשים בניבוי של תכונות אחרות .
שיטות חישוב מבנה אלקטרוני אשר מבוססות על כימיה קוונטית , פותרות את משוואת שרדינגר האלקטרונית בצורה נומרית ובעזרת תורת ההפרעות מרובת חלקיקים. כיום הן בעיקר משמשות לחישוב של מולקולות קטנות עד בינוניות , הם שיטות שניתן להגיע לדיוק גבוה מאד בניבוי תכונות של מולקולות , וככול שעולים בסיבוכיות של השיטה כך גם הדיוק עולה .
בשנים האחרונות יש התקדמות בפיתוח של שיטות אלו עבור חומרים בעלי מבנה מחזורי כגון מוצקים ומשטחים. שיטות אלו הראו תוצאות טובות עבור ניבוי של תכונות אופטיות של מוצקים , סיפוח של מולקולות על פני שטח ועוד.
חומרים דו ממדיים הם בחזית הטכנולוגית של יישומי אנרגיה והתקני אופטואלקטרוניקה חדשים , החיפוש המתמיד אחרי חומרים חדשים כיום נמצא בתחומי טכנולוגיה ומחקר רבים.
בפרויקט זה אנחנו נפתח וניישם שיטות חישוב המבוססות על כימיה קוונטית עבור חישוב תכונות של חומרים דו ממדיים וסיפוח של מולקולות על משטחים אלו.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא חישוב תכונות של חומרים דו מימדיים על ידי שיטות המבוססות על כימיה קוונטית ללא ידע מוקדם מניסוי ( ab-initio ).
הסטודנט ייפתח שיטות חישוב יעילות , המבוססות על תורת ההפרעות ויישם אותם על חומרים דו ממדיים. הסטודנט ישווה זמן חישוב של אלגוריתם של השיטה החדשה ביחס לשיטות הקודמות.
הסטודנט יחקור שיטות שונות ויחשב תכונות שונות של חומרים וישווה את התוצאות לשיטות המבוססות על פונקציונאל הצפיפות .
הסטודנט יחקור חומרים שונים בעלי שכבה אחת וגם בעלי כמה שכבות עם חומרים שונים .

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על חומרים דו מימדיים ושיטות לחישוב תכונות שלהם.
• סקר ספרות על שיטות חישוב של מבנה אלקטרוני המבוססות על תורת הפרעות רב גופית.
• סימולציות של תכונות מכניות של החומרים הדו ממדיים והשוואת התוצאות לניסוי ולשיטות קיימות.
• השוואת חסכון בזמני חישוב וזיכרון של השיטה החדשה לעומת שיטות אחרות .
• הגשת דוח מסכם.

קורסי קדם:

מכניקה קוונטית שימושית, 83204

מקורות:

1. “Accurate thermochemistry of covalent and ionic solids from spin-component-scaled MP2”, T.Goldzak et al, J. Chem. Phys. 157, 174112 (2022) https://doi.org/10.1063/5.0119633.
2. Gaussian-based coupled-cluster theory for the ground-state and band structure of solids, James McClain, Qiming Sun, Garnet Kin-Lic Chan, Timothy C Berkelbach, . Chem. Theory Comput. 2017, 13, 3, 1209–1218, https://doi.org/10.1021/acs.jctc.7b00049.
3. Second-order Møller–Plesset perturbation theory applied to extended systems. II. Structural and energetic properties, Andreas Grüneis; Martijn Marsman; Georg Kresse, J. Chem. Phys. 133, 074107 (2010) , https://doi.org/10.1063/1.3466765.
4. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, by Attila Szabo, Neil S. Ostlund

הרקע לפרויקט:

תהליך המנהור הקוונטי הוא תהליך קוונטי בסיסי אשר במהלכו אלקטרון יכול לעבור בהסתברות מלאה מתחת למחסום פוטנציאל אפילו שאין לו מספיק אנרגיה לעשות זאת.
על בסיס התופעה הקוונטית המעניינת הזו פותחו מגוון של התקנים אלקטרוניים כמו דיודות מנהור רזונטיביות, והתקני טרנזיסטורים קוונטיים, מיקרוסקופיים מבוססי מנהור ואלקטרוניקה מולקולרית.
דיודות מנהור רזונטיביות מבוססות על שכבות דקות של ננו – חומרים אשר מונחות אחת על השנייה.
ניתן לחשב את האנרגיות הרזונטיביות שבהן אלקטרון יכול לעבור מנהור ע"י מודלים שמתארים את השכבות הננו מטריות של החומרים השונים ופתירת משוואת שרדינגר .
הוספת לייזר למערכת כזו תגרום לאינטראקציות בין אור לחומר אשר יכולים לגרום לאפקטים קוונטים חדשים שבעזרתם ניתן לתכנן גלאים קוונטים בעלי רגישות מאד גבוהה לאורכי גל .
בפרויקט זה אנחנו נבדוק כיצד הוספת לייזר משפיעה על הסתברות המעבר בהתקנים ננו מטרים כאלו , כיצד ניתן להנדס את המבנים הננו מטרים כך שאפשר יהיה לתכנן גלאי קוונטי המבוסס על אינטראקציות לייזר עם האלקטרונים במבנה הננומטרי ומנהור קוונטי רזונטיבי.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט הוא לחקור את השפעת הלייזר על תכונות המנהור של האלקטרון במבנה ננו מטרי של מוליכים למחצה . לבנות מודל חישובי אשר מחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנה בעל שכבות דו מיימדיות של מוליכים למחצה שונים.
בעזרת מודלים חישוביים נוכל לתכנן גלאי קוונטי מבוסס על דיודות מנהור רזונטיביות . במהלך הפרויקט הסטודנט יבנה מודל תאורטי שמחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנים ננו מטרים עם ובלי השפעת לייזר. הסטודנט יחקור כיצד שינוי הפרמטרים השונים של המבנה (סוגי החומרים ועובי השכבות ) משפיעים על התופעות הקוונטיות השונות , בכדי להבין כיצד ניתן לקבל את האפקט הקוונטי בצורה אופטימלית . בנוסף הסטודנט יחפש חומרים מתאימים ע"י חישוב מבנה אלקטרוני של ננו חומרים בעזרת סימולציות מבוססות על תורת פונקציונל הצפיפות.

תכולת הפרויקט:

• סקר ספרות על תופעות מנהור קוונטי וכיצד הן באות לביטוי בהתקנים אלקטרוניים, בדגש על דיודות מנהור רזונטיביות.
• למידת נושא של בניית מודלים למבנים ננו מטריים , וחישוב הסתברויות מעבר עבור מודליים כאלו בשיטות נומריות ואנליטיות.
• בניית מודל תאורטי המחשב את הסתברות המעבר של אלקטרון במבנה ננו מטרי של שכבות מוליכים למחצה.
• הוספת אינטרקציה של לייזר למודל וחישוב ההסתברות.
• הגשת דוח מסכם.

קורסי קדם:

83204 מכניקה קוונטית שימושית או קורס מקביל במכניקה קוונטית

מקורות:

1. Interatomic Coulombic decay in two coupled quantum wells, Tamar Goldzak, Liron Gantz, Ido Gilary, Gad Bahir, Nimrod Moiseyev, Phys. Rev. B 91, 165312.
2. “Laser Control of Resonance Tunneling via an Exceptional Point”, Anael Ben-Asher, Daniel Šimsa, Tereza Uhlířová, Milan Šindelka, and Nimrod Moiseyev, Phys. Rev. Lett. 124, 253202.
3. Safumi Suzuki, Masahiro Asada, Atsushi Teranishi, Hiroki Sugiyama, and Haruki Yokoyama, “Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 thz at room temperature,” Applied Physics Letters 97, 242102 (2010).