מה יודע האטום על סביבתו?

במיגוון תחומים טכנולוגיים, החל במחשבים וכלה בחישנים לסוגיהם, מתקרבת חזית המחקר כיום לפיתוח התקנים זעירים שגדלם ננומטרי – כגודל אטום בודד. ביצועיהם של התקנים ננומטריים כאלה מוכתבים על-ידי תורת הקוונטים, בשונה מהתקנים מיקרוסקופיים שביצועיהם הם "קלאסיים". אולם, ביצועיו הקוונטיים של התקן ננומטרי עלולים להיפגע עקב הפרעות או רעשים מהסביבה, שמקורם בתנודות אקראיות של אטומים, או של האלקטרונים שלהם. ד"ר אנליה צוויק ובעלה, ד"ר גונזלו אלוורז, בעבודתם עם פרופ' גרשון קוריצקי מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, ראו ברעשים אלה לא רק בעיה, כי אם גם הזדמנות: לשיטתם, רעשים אלה עשויים להיות מקור מידע ייחודי על תהליכים המתרחשים בסביבת ההתקן – בסדרי גודל ננומטריים. למשל, התנהגות פתולוגית של רקמה חיה בסדרי גודל זעירים כאלה עשויה להיות מאובחנת על-פי מאפייני הרעש שהרקמה מפעילה על חישן בגודל אטומי, ובמיוחד לפי התפלגות תדרי הרעש.

 

השאלה המרכזית ששאלו המדענים הייתה: כמה מידע אפשר לקבל על רעשי הסביבה ממדידת מצבו של חישן שהוא אטום בודד ופשוט? תוצאות המחקר התיאורטי, שנשלחו לפרסום באחרונה, הן מפתיעות ועקרוניות בחשיבותן. הן קובעות, כי אפשר, מעשית, לקבל מהמדידה את המידע הקוונטי המרבי על מאפייני הרעש, אך רק בתנאי שעד למדידה יהיה האטום נתון לבקרה של שדה אלקטרומגנטי שנוצר מסדרת דחפים (פולסים) מתאימה, שתפקידה "להפיק את מירב המידע" על מאפיין הרעש הדרוש. כלומר, ללא בקרה הולמת, אין דרך לזהות את התהליך שגורם לרעש המסוים, באמצעות החישן האטומי.

 

המדענים מדגימים את שיטתם הכללית על חישן שבו תולות קבוצות מחקר רבות תקוות גדולות: ננו-יהלום בעל פגם הידוע בכינוי "מרכז-צבע", שבו מחליף אטום חנקן את אחד מאטומי הפחמן. המדענים צופים, כי אפשר יהיה לקבל מידע רב-ערך על תהליכים פיסיקליים, כימיים וביו-רפואיים ממאפייני הרעש המשפיע על המצבים הקוונטיים של הפגם, תחת בקרת מיקרוגל שהם תיכננו.