מלכודת החושך הגדולה

01.09.1998
כאשר בן ארצי שר ומצהיר "אני אפס", הוא אינו מתכוון לאפס המוחלט, ובוודאי שמחשבותיו אינן נתונות לקרני לייזר, ל"אפקט דופלר" ולאטומי גז החולפים באוויר במהירות מסחררת. לעומת זאת, בשביל ד"ר ניר דוידזון מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון, ולעמיתיו, טמפרטורת האפס המוחלט היא משהו שאפשר לראותו מנגד, אפשר לחשוב עליו, לחלום עליו ולשאוף אליו, אך לעולם אי אפשר להגיע אליו. הבעיה היא שאטומי הגז טסים ללא הרף במהירות עצומה, דבר שמקשה מאוד על מי שמבקש לחקור את תכונותיהם ולנצלם במתקנים שונים. קשה אולי להאמין, אבל בחללו של חדר שקט לחלוטין טסים אטומי גז במהירות ממוצעת של 1,000 קמ"ש. אפילו בטמפרטורה של שלוש מעלות קלווין בלבד (מינוס 270 מעלות צלסיוס), האטומים עדיין נעים, במהירות של 100 קמ"ש. רק בטמפרטורה מזערית של כמיליונית המעלה מעל האפס המוחלט האטומים "נרגעים" מעט ומשייטים להם בנינוחות, לאט יותר מקצב הליכתו של אדם. שיטה אחת לקירור אטומי גז מבוססת על שישה "תותחי לייזר" ש"מפגיזים" קבוצת אטומים מכל כיווני המרחב ו"לוכדים" אותם כמעט ללא ניע בריק (כדי למנוע קפיאה). חלקיקי האור (הפוטונים) פוגעים באטום כפי שכדורי טניס שולחן פוגעים בכדור ביליארד. אם מספיק כדורי טניס שולחן יפגעו בכדור הביליארד המתגלגל, בכיוון מנוגד לכיוון תנועתו, הוא יאט את מהלכו עד שכמעט יעצור כליל. ליתר דיוק, קרני הלייזר המכוונות אל האטומים הן בעלות אורך גל (צבע) ארוך מעט יותר מאורך הגל הנבלע על ידי האטומים שאותם מנסים לקרר. כך, האטומים שנמצאים במנוחה כמעט אינם "מרגישים" את פגיעת חלקיקי האור, אבל אטומים שמנסים לצאת מאזור הריכוז ונעים כנגד אחת מהקרניים, "מפעילים" בכך את "אפקט דופלר" ש"מקצר" את אורך הגל של קרן הלייזר עד שהפוטונים שלה נבלעים באטום, דבר שמאט את מהלכו. שיטת זו קרויה "קירור דופלר".
 
אלא של"קירור דופלר" (כמעט כמו לכל דבר אחר בחיים), יש גבולות משלו. לפיכך פותחו במשך הזמן שיטות קירור לייזר מתקדמות, כגון שיטת "הקירור הסיזיפי" ושיטת "קירור ראמאן". כך הצליחו המדענים לקרר אטומים לטמפרטורה של פחות משלוש מיליארדיות המעלה מעל לאפס המוחלט. כדי לנצל את האטומים המקוררים חייבים החוקרים "לאחסן" אותם, או "ללכוד" אותם למשך זמן רב ככל האפשר (כמה שניות) במלכודות מיוחדות העשויות גלי אור. "תעשייה" זו של "מלכודות אור" המסוגלות ללכוד אטומי חומר היא כיום אחת מחזיתות המדע ה"לוהטות" והמבטיחות ביותר.
 
ד"ר ניר דוידזון, הפועל בחזית זו, אומר שיש להבדיל בין "מלכודות אור" שבהן אטומי החומר נמשכים ונלכדים באזור המואר של המלכודת, לבין "מלכודות חושך", שבהן אטומי החומר נהדפים על ידי האור ונלכדים בחלק החשוך של המלכודת. ד"ר דוידזון עצמו הדגים לראשונה "מלכודת חושך" כזאת, במסגרת עבודת הפוסט-דוקטורט שביצע במעבדתו של פרופ' סטיב צ'ו מאוניברסיטת סטנפורד בארה"ב, שזכה השנה בפרס נובל לפיסיקה.
 
"מלכודת החושך" דומה למעין "חדר" שקירותיו עשויים גלי אור לייזר, ובמרכזו אזור חשוך. אטומי הגז המצויים באזור החשוך מנסים להימלט מהמלכודת, אך בכל פעם הם נתקלים בקירות האור ונהדפים בחזרה. יעילותן של מלכודות כאלה נמדדת בזמן שבו הן מסוגלות ללכוד את אטומי הגז המקוררים.
 
היתרון העיקרי של "מלכודות חושך" על פניהן של מלכודות אור רגילות נובע מהקטנה משמעותית של ההפרעה שגורם האור לאטומים הלכודים (הן בשינוי רמות האנרגיה שלהם והן בפיזור אקראי של פוטונים מהלייזר הלוכד). עד כה הצליח ד"ר דוידזון - באמצעות מלכודת החושך שלו - להקטין הפרעות אלה פי אלף ויותר, במשך שניות אחדות. מחקריו העכשוויים של ד"ר דוידזון מכוונים להקטנה נוספת של ההפרעות, וכן להארכת זמן הלכידה ולשיפור תכונות המלכודת.
 
ד"ר דוידזון אומר שאטומים קרים וזמינים עשויים לשמש, למשל, לבניית שעונים אטומיים מדויקים מאוד. אלומות של אטומים מקוררים יכולים להתמקד (באמצעות "עדשות" העשויות אור לייזר) וליצור מעין "עט" או "חרט" שישמשו לשרטוט מעגלים אלקטרוניים זעירים בהרבה מאלה שקיימים כיום. נוסף לכך עשויים האטומים הקרים לשמש לחקר חוקי טבע כגון סימטריות ושבירתן, למדידת קבועים אטומיים שונים ולמחקרים שתכליתם אישור או הפרכה של הרחבות שונות בתורת הקוואנטים.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם