חום וסדר

 

 

מדידה / גרשון קוריצקי

 

"בוא אמדוד לך חום", לי אמרה האחות
ושלפה מין מכשיר משוכלל.
"שכב בשקט, יקח שתי דקות לפחות",
אז עניתי לה: "זאת לא אוכל.

לא אחלוק את חומי עם אדם זולתי,
פן אשזור את חומי עם חומך.
לא אהיה לאובייקט תצפיות, יפתי,
לא לפני שתגידי את שמך".

"מתנשא שכמותך, מתבדל מהעם",
כך אמרה ופניה באור.
"תירגע, תתנהג כאחד האדם,
שכב ואל תשחק לי גיבור".

"לא, הביני, בחופש חשקתי מאז,
רק עלי כאן להיות הצופה:
בך, באור, בעולם החדש-הנועז,
תקראי בטובך לרופא".

"אדוני", היא אמרה לי בקול כה שקט,
"את מרחב-התצפית נא הגבל.
השזירות הן תמנע ממך את האמת,
אז תפסיק את מוחי לבלבל".

 

"בעולם היום-יומי, חייבים להחדיר אנרגיה באופן ישיר לתוך גופים שאנחנו רוצים לחמם או לקרר. אבל כשרוצים לשנות את הטמפרטורה של גופים זעירים בעלי מידות קוונטיות, כמו אטומים או חלקיקים תת-אטומיים, מספיק 'למדוד להם חום'", אומר פרופ' גרשון קוריצקי מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע. באחרונה הצליח פרופ' קוריצקי, יחד עם פרופ' לוסיו פרידמן מאותה מחלקה, להדגים את העיקרון הזה. תוצאות הניסוי שלהם עשויות, בעתיד, לפתוח פתח ליישומים חדשים בתחום התהודה המגנטית-גרעינית, ושיטות חדשות לאיחסון מידע.

לפני כשנתיים פרסמו פרופ' קוריצקי, ד"ר נעם ארז ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר גורן גורדון, מאמר בכתב העת המדעי Nature, בו הם חזו שביצוע מדידות רצופות של מערכות קוונטיות מסוימות עשוי לגרום להן לשנות את מצבן למצב מסודר יותר או מסודר פחות (כאשר מערכת מסודרת יותר, אפשר לומר שהיא קרה יותר). חיזוי זה מבוסס על אחד מעקרונות הפיסיקה הקוונטית: מספר רב של מדידות רצופות משנה את תכונות המערכת. המפתח לתוצאה, לפי ממצאיהם של פרופ' קוריצקי ושותפיו למחקר, הוא בעיתוי, כלומר בתדירות של המדידות המחזוריות. מדידה בקצב מהיר מאוד, לדוגמה, עשויה לחמם את המערכת, ואילו אותן מדידות ממש, הנעשות בתדירות מעט יותר איטית, עשויות לקרר אותה (ראו בגיליון 51 של עיתון "המכון" - הקוונטים מתחממים ומתקררים).

 

בשלב זה נכנס לתמונה פרופ' פרידמן, שראה כאן הזדמנות להרחיב את גבולות היכולת של התהודה המגנטית הגרעינית (NMR). יחד עם פרופ' קוריצקי ועם החוקרים הבתר-דוקטוריאליים ד"ר גונזאלו אלוורז וד"ר דורג'ה בהקטווטסלה רא דסארי, הוא מצא דרך לבחון ב-NMR את האפשרויות לחימום או לקירור באמצעות שינוי קצב המדידות. "ה-NMR הוא למעשה הטכנולוגיה האידיאלית לביצוע ניסויים כאלה", אומר פרופ' פרידמן."הודות לגלים האלקטרומגנטיים בתדר נמוך והאיטיים יותר שעליהם הוא מתבסס, ה-NMR, ברוב המקרים, מדויק יותר".

העבודה שהובילה לחיזוי של פרופ' קוריצקי התבססה על מודל של מערכת קוונטית פתוחה: מערכת שבה הרכב קטן של חלקיקים קוונטיים מקיים יחסי גומלין עם מספר רב של חלקיקים הנתונים בתוך "אמבט". בדומה לאופן שבו עצם גדול (יחסית) הטבול באמבטיית מים יחליף איתם חום עד להשוואת טמפרטורת ביניהם, כך גם עצמים קוונטיים המצויים באמבטיית חלקיקים נוטים להגיע לנקודת איזון עם סביבתם. במישור הקוונטי, האיזון הזה עשוי להתבטא בתכונות קוונטיות נוספות לתכונת החום. לדוגמה, הוא יכול להשפיע על תקיפת הסיחרור ("ספין") של חלקיקים שמרכיבים את גרעיני האטומים. הספין מתאפיין באחד משני כיוונים אפשריים: "למעלה", או "למטה". כאשר הספינים של החלקיקים מסודרים - כלומר כשהם ערוכים באותו כיוון - המערכת "מקוררת". ככל שסידורי הספינים אקראיים יותר, המערכת "חמה" יותר. לפי החיזוי של פרופ' קוריצקי, המדידות עשויות לשבש את תהליך ההגעה לאיזון בין העצם הקוונטי והאמבטיה - מה שסותר את התחזיות המבוססות על כללי התרמודינמיקה הקלאסיים. במילים אחרות, המדידה מסוגלת לשחרר את החלקיקים באופן חלקי מהשפעת האמבטיה, וכך לאפשר לחוקרים "לאפס" את הטמפרטורה שלהם.

בניסוי שביצע צוות המדענים הייתה האמבטיה עשויה ממספר גדול של פרוטונים (גרעינים של אטומי מימן). החלקיקים הקוונטיים היו גרעינים של האיזוטופ פחמן 13. כדי לדמות תהליך מדידה, השתמשו המדענים בפעימות מגנטיות קצרות, תוך שהם בודקים את סדר הספינים של גרעיני הפחמן 13. בהתחלת הניסוי היו גרעינים אלה במצב של אי-סדר, והספינים שלהם הצביעו לכל הכיוונים. אבל כששינו החוקרים את תדירות הפעימות המגנטיות - בטווח שבין פעימה אחת לעשר פעימות באלפית השנייה - אפשר היה לגרום לספינים להתארגן במקביל לשדה המגנטי או בכיוון הנגדי. "זה דומה לאיש שמשוטט הלוך וחזור בשביל", אומר פרופ' פרידמן. "באמצעות ההחלטה מתי ואיפה לעצור אותו אנחנו יכולים 'לאפס' את מהלך ההליכה שלו, וכך לשלוט בכיוון שבו הוא הולך. במערכת הניסויית שלנו הצלחנו, באמצעות הגישה הזאת, לסדר את הספינים של קבוצות החלקיקים הקוונטיים 'כלפי מעלה' או 'כלפי מטה', לפי רצוננו. במקרים מסוימים קיבלנו מערך טוב יותר מזה שאפשר לקבל בשיטות אחרות".

 

המדענים הופתעו לגלות התאמה כמעט מלאה ביו תוצאות הניסוי לבין התיאוריה, והם מתחילים לחשוב על יישומים אפשריים. פרופ' פרידמן, למשל, סבור ששיטה המאפשרת לשלוט בספינים של חלקיקים קוונטיים עשויה לשפר את היעילות של ניסוי NMR ו-MRI מסוימים. פרופ' קוריצקי מתכוון לחקור כיצד העיקרון הזה יכול לעזור להתגבר על אחד המחסומים לבניית מחשבים קוונטיים. "כדי ליצור רישום של זיכרון קוונטי", הוא אומר, "חייבים להתחיל ממצב אשר בו כל הספינים מסודרים באותו כיוון. השיטה שלנו יכולה להגיע למצב הזה ללא הפעלת 'אלימות' מיותרת. ייתכן שכדי ליצור את הסידור הנכון נצטרך רק למצוא את התדירות המתאימה של מחזור המדידות".