חלון הזדמנויות

בלונדון מתחרים לעיתים אצנים מכל העולם, במטרה להראות לכולם מי מהם הוא המהיר ביותר בעולם בתחומו. אבל המדידות המהירות באמת מתבצעות במעבדה לא גדולה, בקצה מסדרון בקומה התחתונה של בניין הפיסיקה במכון ויצמן למדע – מעבדתה של פרופ' נירית דודוביץ. בניסוי, אשר הממצאים העולים ממנו פורסמו בכתב-העת המדעי Nature, הצליחה פרופ' דודוביץ למדוד את משך הזמן הנדרש לאלקטרון כדי "לזלוג" ו"לברוח לרגע" ממקום שבו היה מצוי.

אפשר לחשוב על האלקטרון כעל כדור טניס שולחן המצוי בתוך גביע גלידה. כשהמערכת יציבה, אין לכדור טניס השולחן שום "סיבה" נראית לעין לעלות, לצאת מהגביע ולסייר בעולם החיצוני. אבל, מתברר, במצבים מסוימים עשוי האלקטרון (בהסתברות נמוכה) לזלוג החוצה ו"לעבור דרך הקיר" החוסם אותו. "זליגה" זו היא תופעה קוונטית הקרויה מינהור, אשר נובעת מהאופי הגלי של החלקיקים. מדובר באחת התופעות הבסיסיות בתורת בקוונטים, והיא מאתגרת את דמיונם של הפיסיקאים כבר עשרות שנים, בעיקר מכיוון שאין לה דוגמה מקבילה בעולם ה"רגיל".

מינהור קוונטי מופיע במיגוון רחב של תופעות בטבע. פרופ' דודוביץ חוקרת סוג מסוים של מינהור, אשר מתחולל כתוצאה מהפעלת שדה לייזר חזק. שדה הלייזר "עוזר" מעט לאלקטרון: הוא "מכופף" למענו את שולי הגביע, כך שיהיה לו קל יותר לזלוג החוצה בדרך של מינהור. הכיפוף מתבצע בחלון הזדמנויות צר במיוחד, שנמשך כ-200 אטו-שניות בלבד (משך הזמן שבו גל האור נמצא בשיאו). אטו-שנייה היא מיליארדית מיליארדית השנייה. מכיוון שחלון ההזדמנויות הוא קצר כל כך, מדענים לא הצליחו, עד כה, למדוד את זמן התרחשות התופעה באופן ישיר.

למעשה, האלקטרונים לא רק שואפים למנוחה; הם גם נאמנים למדי, כך שלאחר "טיול" מחוץ לחומר שממנו יצאו, הם נוטים לחזור "הביתה". כאשר אלקטרון כזה חוזר ונבלע בחומר-האם שלו, הוא גורם בכך לפליטת פוטון. את הפוטון הזה אפשר לקלוט ולמדוד. מדידות כאלה איפשרו לפרופ' דודוביץ לעקוב אחר האלקטרונים הזולגים במימד הזמן.

מדידה זו התבססה על העובדה, שהאלקטרונים ה"זולגים" חוזרים לבסיס הבית שלהם, לאחר ה"טיול", בקו ישר. כך, אם מסיטים מעט את חומר המוצא (למשל, באמצעות שדה לייזר נוסף), אפשר לגרום לכך שהאלקטרון החוזר בקו ישר לא ימצא את בסיסו במקומו. במקרה כזה, מכיוון שהאלקטרון לא נבלע בחומר – לא ייפלט פוטון. כך מתבצעים תיעוד של זמן ה"זליגה" של האלקטרון, ומדידת הפרש הזמן עד לפליטת הפוטון (המעידה על חזרתו לחומר המוצא). אבל לא כל האלקטרונים שווים. אלקטרונים בעלי אנרגיות שונות "יזלגו" מ"שפת הגביע" בזמנים שונים. פרופ' דודוביץ ביקשה לדעת בכמה זמן בדיוק מתבטא ההבדל הזה. כדי למצוא את התשובה, עשתה המדענית שימוש נוסף בתופעת הקיום המקביל של חלקיקים, כגלים. כאשר האלקטרונים הזולגים חוזרים ל"בסיסם", המופעים הגליים שלהם מתאבכים אלה עם אלה. כאשר ההתאבכות הורסת, נוצר, למעשה, חיסור של גל אחד ממשנהו. התוצאהבמקרה כזה מבטאת את הפרש הזמנים בין זמני היציאה השונים שלהם. פרופ' דודוביץ הצליחה למדוד את ההפרש הזה, שעמד על כ-50 אטו-שניות. ככל הידוע, זהו אחד מפרקי הזמן הקצרים ביותר שנמדדו מעולם.

מחקר זה מעניק מבט עמוק יותר לתוך עולמה של הפיסיקה האטומית, ושופך אור חדש על תופעות בסיסיות שונות. הידע החדש שעולה מממנו עשוי לשמש בסיס לטכנולוגיות עתידיות רבות עוצמה.

פרופ' נירית דודוביץ מקדישה את זמנה הפנוי לקריאה.