שיר של אור וחומר
09/06/2020
העולם סביבנו מורכב מחלקיקים טעונים, כמו אלקטרונים ופרוטונים, שמשפיעים אחד על השני באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים. שילוב של שדה חשמלי ושדה מגנטי הוא גם מה שמרכיב את האור, כאשר השדות מתנדנדים במהירות בזמן. השדות מפעילים כוח על החלקיקים, הנקרא כוח לורנץ, ושולטים בתנועתם באופן שמתואר על ידי נוסחת כוחות קלאסית שנלמדת כבר בתיכון [1].
שאלה מעניינת בהקשר זה היא מה קורה כאשר פעימה של אור פוגעת באלקטרון. במשך הרבה שנים האמינו שהאלקטרון המואר ינוע תחת השפעת כוח לורנץ ויואץ או יואט - וכך גם ישנה את האנרגיה שלו בהתאמה לערך חדש באופן רציף, בהתאם לעוצמת האור שקובעת את הכוח המופעל עליו.
אבל הפיזיקה הרבה יותר מעניינת מזה: כשאלקטרון מואר, הוא לא משנה את האנרגיה שלו באופן רציף, אלא לאחד מבין מספר ערכים בדידים [2]. בניסויים כאלו, עם פעימה של אור שמגיעה מלייזר, התגלה כי האנרגיה מתפצלת בין מספר אפשרויות המופרדות בדיוק לפי פער אנרגיה קבוע. מי שלמד על מכניקה קוונטית יכול להסיק שהאלקטרון בולע או פולט מספר בדיד של פוטונים - חלקיקי אור - ומחליט על כך באופן אקראי לפי עקרונות המכניקה הקוונטית.
הסיטואציה הזו מזכירה את האפקט הפוטואלקטרי בו הטבע הקוונטי (הבדיד) של האור - הפוטונים - נחשף בפעם הראשונה [3]. אך האם באמת רואים בניסוי שתיארנו את הקוונטיות של האור? האם זו הוכחה שהאור מורכב מפוטונים? ובכן, המציאות מורכבת יותר ודווקא האלקטרון ולא האור הוא זה שמתנהג באופן קוונטי במקרה זה.
מסתבר שכדי לתאר נכונה את התגובה של אלקטרון לפעימת אור בניסוי כמו שלנו, צריך להתייחס אליו בתור חלקיק קוונטי (גם חלקיק וגם גל), ללא מיקום מוגדר (כמו בניסוי שני הסדקים [4]). קיבלנו מקרה מעניין ומאוד נדיר של אינטראקציית אור-חומר יסודית שבה גם האור וגם החומר מתנהגים בו זמנית כגלים: במקרה הזה, גל החומר הוא האלקטרון שמבצע אינטראקציה עם גל אור הנוצר על ידי הלייזר בניסוי. אינטראקצית גל-עם-גל מסוג זה יוצרת תנאי תהודה שמאלץ את האלקטרון לשנות את האנרגיה שלו רק במספר בדיד של אפשרויות. כך נוצרת סיטואציה ייחודית שבה גם האלקטרון וגם האור מתנהגים בו זמנית כחלקיקים וכגלים.
הניסוי הראשון [5] שהראה סיטואציה ייחודית זו נעשה ב2009 ב Caltech, במעבדה של Ahmed Zewail, המצרי הראשון שקיבל פרס נובל במדעים. ההסבר התיאורטי הגיע כבר ב2010 על ידי שני מדענים במקביל Javier Garcia de Abajo, וSang Tae Park. בשנים האחרונות מתחילים להיחשף שימושים מרתקים של אפקט זה.
במאמר שהתפרסם עכשיו ב Nature, הקבוצה שלנו בטכניון הציגה כלי מיקרוסקופיה חדש שמנצל את האופי הקוונטי של האינטראקציה [6]. בניגוד למיקרוסקופיה רגילה שבה אור משמש לדימות של חומר, אנחנו משתמשים בחומר (אלקטרון) לדימות של האור.
שיטת המיקרוסקופיה שפיתחנו [7] מראה את הביצועים הטובים בעולם בשילוב של רזולוציה גבוהה במרחב, זמן, אנרגיה וזווית, עבור כל כיוון נדנוד אפשרי של השדה החשמלי (הנקרא "קיטוב" [8]). למשל הרזולוציה המרחבית שהשגנו היא של 10 ננומטר (מיליארדית המטר), קטן ביותר מפי 10 מאורך הגל של האור, וממה שניתן להשיג באמצעים מיקרוסקופיים סטנדרטיים.
מהי הפלטפורמה הניסויית בבסיס העניין? מיקרוסקופיית אלקטרונים היא פלטפורמה חשובה למחקר ופיתוח בהרבה תחומים. למשל, מיקרוסקופים אלקטרוניים הם הכלי המוביל לדימות של וירוסים (כולל תמונות הקורונה שמופיעות עכשיו בכל מקום), ולבדיקת ייצור של צ'יפים מסיליקון, למגוון שימושיהם האפשריים (למשל, המחשב של הסמארטפון והגלאי של המצלמה שלו).
אצלנו במעבדה מיקרוסקופיית אלקטרונים היא גם מערכת נהדרת לניסויים בלב הפיזיקה הקוונטית וחקר האינטראקציות היסודיות של אור וחומר. בדרך זו אנחנו מעוררים שאלות מעניינות למחקר ניסויי ותיאורטי בטכניון. במרכז המאמר שלנו היה גילוי יסודי באינטראקציית אור וחומר: מדידת זמן החיים של אור כלוא בסקלה ננומטרית. (מדידה דומה לזו שבוצעה במעבדה שלנו בטכניון התרחשה במקביל בקבוצה ותיקה בתחום מגרמניה).
מהודים אופטיים יכולים לכלוא אור לזמן "ממושך" - גם מיליארדית השנייה היא זמן ממושך יחסית לזמן המחזור של תנודה של גל אור שהוא מיליונית של מיליארדית השנייה. מהודים אופטיים ננומטריים נמצאים בחזית המחקר לעיבוד סיגנלים אופטיים ותקשורת אופטית. ההישג במאמר חשוב כיוון שהוא מאפשר צילום סרט של הדינמיקה של האור בתוך המהוד. צורת הצילום, ע"י האלקטרון הקוונטי, פותחת פתח להנדסה של המצב הקוונטי של האור היוצא מהמהוד ושל האלקטרונים שעברו איתו אינטראקציה. דבר זה עשוי לאפשר יישומים שניתן היה לעשות בעבר רק עם אטומים. למשל, לתכנן מחשבים, מערכות תקשורת או מיקרוסקופים קוונטיים, המבוססים על האינטראקציה בין אור לקרני אלקטרונים.
מעבר ליישומים החדשים של התגובה בין אור לאלקטרונים, המחקר עשוי בעתיד להוביל לתשובות בשאלה מהותית בפיזיקה קוונטית: האם ניתן להביט ישירות לתהליך המעבר של פונקציית הגל, מגל לחלקיק? תהליך זה, אותו אנחנו מכנים "קריסת פונקציית הגל" הוא המקום שבו אקראיות נכנסת לפיזיקה ונותר עד היום החידה הגדולה ביותר במכניקה קוונטית.
קישורים ומקורות:
[2] תכונות קוונטיות של האלקטרון
[3] האפקט הפוטואלקטרי באתר מדג"ב
[4] ניסויי שני הסדקים באתר מדג"ב
[6] המאמר החדש שפורסם ב Nature.
פרופ' להנדסת חשמל בטכניון ומפתח אפליקציות של טכנולוגיות קוונטיות בשילוב עם פוטוניקה ואלקטרודימניקה בשביל מקורות קרינה, גלאים, ומיקרוסקופיה אלקטרונית. כיום עוסק גם בפיתוח אלגוריתמים לחקר קבועים יסודיים במתמטיקה ופיזיקה.
