הבזקים קצרים וחזקים של אור, המיוצרים בטכניקה חדשנית, חשפו תופעות חדשות בתחום המנהור הקוונטי

אינטראקציות מיוחדות בין אור לחומר מאפשרות ליצור הבזקים קצרים וחזקים מאוד של אור. חוקרים במכון ויצמן השתמשו בהבזקים רבי-העוצמה כדי לגלות פרטים חדשים על תופעה קוונטית מהירה במיוחד – מנהור קוונטי של אלקטרון.

כדי לצלם חפץ בתנועה, אנחנו צריכים מצלמה שמסוגלת לצלם בקצב גבוה ביחס למהירות החפץ, שאם לא כן התמונה תצא מטושטשת. אותו עיקרון חל גם על מדידות פיזיקליות: אם אנחנו רוצים למדוד תופעה מסוימת בצורה ברורה, כלי המדידה שלנו צריך להיות מהיר יותר מהתופעה עצמה. במהלך המאה ה-20, פיזיקאים פיתחו את התחום הנקרא אופטיקה לא-ליניארית, ובאמצעותו את היכולת ליצור הבזקים קצרים וחזקים מאוד של אור, שאפשר למדוד בעזרתם תופעות מהירות ביותר.

במאה ה-19 גילו פיזיקאים שכאשר משנים שדה חשמלי באופן מחזורי, נוצר שדה מגנטי המשתנה באופן דומה. התנודות בשדות הללו נעות במרחב כמו גל, והן מה שאנו קוראים לו אור. כאשר אור פוגש בחומר, האלקטרונים שבחומר מגיבים לתנודות הגל ורוטטים בתדירות זהה לתדירות האור. הרטט של האלקטרונים מייצר גלי אור חדשים, בעלי תכונות דומות, והצירוף של הגל המקורי והגלים החדשים גורם לתופעות שאנחנו מכירים מהמפגש בין אור לחומר, כמו שבירה של אור או בליעה שלו. 

אופטיקה לא-ליניארית

בחומרים מסוימים, האלקטרונים שבחומר רוטטים גם בתדרים שאינם זהים לתדר המקורי, ומייצרים גלים חדשים בעלי תכונות שונות שאותן אפשר לנצל. האופטיקה הלא-ליניארית עוסקת במקרים אלו, ומשתמשת באור חזק במיוחד כדי לעורר את האלקטרונים. לשם כך דרוש אור חזק מאוד משום שהאפקטים הלא-ליניאריים, כמו הרטט בתדירויות שאינן התדירות המקורית, הם חלשים מאוד ביחס לעוצמת האור הפוגע. לכן נרצה שעוצמת האור הפוגע תהיה חזקה ככל האפשר, כדי להפיק את המרב מהתופעות המיוחדות הללו.

האופטיקה הלא-ליניארית הייתה כר פורה למחקר מאז אמצע המאה ה-20. בתחילת פברואר השנה הוכרז כי פרס וולף היוקרתי יוענק לשלושה חוקרים ממובילי המחקר בתחום זה, שייסדו תחום מחקר המבוסס על תופעות לא-ליניאריות שכאלו: אופטיקה אולטרה-מהירה. החוקרים הבינו כי התופעות המיוחדות המתרחשות במפגש של אור עם חומר יכולות לשמש ליצירה של פולסים קצרים מאוד של אור – עד אורך של אטו-שנייה (attosecond), שהיא מיליארדית של מיליארדית השנייה. טכנולוגיה זו נמצאת מאז בשימוש מדעי במעבדות רבות ברחבי העולם. במחקר שהתפרסם ב-Nature Photonics בפברואר, חוקרים ממכון ויצמן בהובלת פרופ' נירית דודוביץ ותלמיד המחקר עומר קנלר השתמשו בפולסים קצרים שכאלו כדי ללמוד על אודות תופעה קוונטית מעניינת ומהירה במיוחד: מנהור קוונטי. 

מנהור קוונטי | Dejawu, Shutterstock
לכדור המוטח לעבר הקיר אין די אנרגיה לעבור דרכו; לעומת זאת, כשחלקיק קוונטי פוגש מחסום, הוא יכול בהסתברות מסוימת, לעבור דרכו גם אם אין לו מספיק אנרגיה. מנהור קוונטי | Dejawu, Shutterstock

שופכים אור (לרגע) על המנהור הקוונטי

ראשית, ניזכר מהו מנהור קוונטי: כשאנו זורקים כדור על קיר, הכדור יפגע בקיר ויחזור אלינו. הסיבה לכך היא שלכדור אין מספיק אנרגיה כדי לעבור את הקיר, ולכן אין לו ברירה אלא לחזור לעברנו. לעומת זאת, כאשר חלקיק קוונטי פוגש "קיר" – או במונחים יותר פיזיקליים, מחסום – הוא יכול, בהסתברות מסוימת, לעבור דרכו גם אם אין לו מספיק אנרגיה לכך. אף שתופעה זו נשמעת משונה למדי, היא מתרחשת סביבנו בלי הרף ונובעות ממנה תופעות רבות המוכרות לנו מחיי היומיום שלנו: מנגנוני הבעירה של השמש, פליטת קרינה רדיואקטיבית ואף חלק מרכיבי הזיכרון במחשב מבוססים על תופעת המנהור הקוונטי. 

במחקר, החוקרים האירו על חומר בהבזק חזק וקצר של אור, שהגדיל את ההסתברות שהאלקטרונים יהיו מעורבים במנהור ו"יברחו" מהאטומים שאליהם היו קשורים. האלקטרונים מבלים רק זמן קצר מחוץ לאטומים, ומהר מאוד "נופלים" בחזרה למקומם תוך כדי פליטת אור. מדידת מאפייני האור הנפלט יכולה ללמד פרטים רבים על התהליך הפיזיקלי שעברו האלקטרונים. החוקרים השתמשו בטכניקה חדשנית שבה יכלו לשנות את מאפייני ההבזק הראשוני, וכתוצאה את עובי המחסום, ברזולוציה גבוהה מאוד, עד כדי אטו-שניות. באמצעות טכניקה ייחודית זו, הם הצליחו לצפות בתופעות שלא נמדדו מעולם: אף שבדרך כלל נהוג לחשוב על מנהור קוונטי כעל תופעה מיידית, מתברר שמאפייני האור שנפלט על ידי האלקטרונים תלויים באופן שבו ההבזק הראשוני השתנה בזמן.

עומר קנלר, שהוביל את המחקר, מספר שהחוקרים לא ציפו לתוצאות אלו: "המוטיבציה המקורית לניסוי הייתה הטכניקה הניסויית שהשתמשנו בה, אך התוצאות שקיבלנו היו מפתיעות ולא אינטואיטיביות, ומהן הבנו כי יש פה תופעה פיזיקלית מעניינת. הדבר הכיפי במדע ניסויי הוא שיש מקום להפתעות: ראינו תוצאה שלא ציפינו לה ובהתחלה לא הבנו, ואחרי הרבה מאוד מחקר ולמידה הבנו איך אפשר להסביר אותה ולחבר אותה לידע התיאורטי בתחום."