מחסום על מסלול העקיפה

01.06.1997
מדעני המכון ביצעו ניסוי פיסיקלי שבמסגרתו נבחנו, בעת ובעונה אחת, האופי הגלי והאופי החומרי של אותו חלקיק עצמו. כידוע, מכניקת הקוואנטים קובעת שחלקיקים תת-אטומיים עשויים להופיע בשני מופעים, הן כחלקיקי חומר והן כגלים. כדי להוכיח את הקביעה הזאת, אפשר להניח מחסום פיסי על דרכם של חלקיקים נעים. במצב כזה, אם החלקיקים הם אכן "גרגרי חומר", הם ייתקלו במחסום וייעצרו (או יהדפו לאחור). לעומת זאת, אם החלקיקים מתנהגים כגלים, הם יכולים לעקוף את המחסום (בתופעה הקרויה "עקיפה"), ולהתאבך. בניסויים מסוג זה שבוצעו בעבר התברר שחלקיקי חומר אכן מצליחים לעקוף את המכשול. אבל בכל הניסויים האלה אפשר היה להיווכח רק באחד מהמופעים האפשריים של החומר: או חלקיקים או גלים. מדעני המכון בחנו, בעת ובעונה אחת, באותו ניסוי עצמו, את שני מופעיהם של אלקטרונים הנעים בחומר מעובה, כלומר במצב צבירה מוצק. למעשה, היתה זו הפעם הראשונה שמדענים הצליחו למדוד את ה"פאזה" היחסית של גל האלקטרון, שהיא גודל חשוב במסגרת מכניקת הקוואנטים.
 
תוך כדי ביצוע הניסוי ובחינת תוצאותיו התגלו תופעות שהיו בלתי ידועות, הנוגעות לאופיו הגלי של האלקטרון. המדענים הצליחו לפתור חלק מהשאלות האלה, דבר שעשוי לקדם הבנה ופיתוח של אלקטרוניקה קוואנטית, אשר עשויה להעמיד לרשותנו התקנים אלקטרוניים מהירים ויעילים לאין שיעור בהשוואה לאלה שמצויים בידינו כיום. אלקטרוניקה עתידית זו תתבסס על התקנים אלקטרוניים רב-תפקודיים זעירים כל כך, עד שהפיסיקה שתשלוט בהם תכלול הן את חוקי הפיסיקה הקלאסיים (הקובעים את פעולתם של גופים גדולים, נראים לעין), והן את חוקי מכניקת הקוואנטים (הבאים לידי ביטוי, בדרך כלל, בהתנהגותם של חלקיקים תת-אטומיים, או בצברים של אטומים ספורים).
 
הפיסיקה החוקרת את המתרחש ב"אזור הדמדומים" הזה שבין הפיסיקה הקלאסית לבין מכניקת הקוואנטים, קרויה "פיסיקה מזוסקופית". במכון פועלות שתי קבוצות מחקר מובילות בעולם בתחום זה. האחת, של פיסיקאים עיוניים המתמקדים בפיסיקה מזוסקופית, והשנייה של פיסיקאים ניסיונאים המפעילים את אחד המתקנים המתקדמים בעולם בחקר הפיסיקה המזוסקופית - המרכז למחקר תת-מיקרוני. הניסוי שבו נבחנו האופי הגלי והאופי החלקיקי של החומר בעת ובעונה אחת, ומציאת ההסבר לתוצאותיו, יכולים להוות דוגמה לשיתוף פעולה בין הפיסיקאים העיוניים לעמיתיהם הניסיונאים.
 
תלמיד המחקר (שמאז הוכתר כבר בתואר דוקטור) עמיר יעקבי, ד"ר הדס שטריקמן, ד"ר ולדימיר אומנסקי, ד"ר דיאנה מהלו ופרופ' מרדכי הייבלום מהמרכז למחקר תת-מיקרוני, החלו את סדרת הניסויים כשתיכננו ובנו מערכת ניסוי לבחינת יכולת העקיפה (התאבכות) של אלקטרון אחד ויחיד. במהלך העקיפה, כשהאלקטרון מתנהג כגל, יכולים חלקים מהגל לעקוף את המכשול במסלול אחד, ואילו חלקים אחרים ממנו יעקפו את אותו מכשול במסלול אחר. כאשר שני החלקים של גל-האלקטרון חוזרים ונפגשים במוצא ההתקן, הם מתאבכים זה לעומת זה. ייתכנו שני סוגים של התאבכות: "הורסת" ו"בונה" (בהאבכות "הורסת" הגלים מבטלים זה את זה, ולכן הם לא נמדדים במוצא ההתקן).
 
על בסיס הניסוי הזה תיכננו החוקרים וביצעו ניסוי נוסף: הם הניחו מחסום על אחד מהמסלולים האפשריים של גלי האלקטרון העוקפים. מחסום זה היה, למעשה, מעין "קופסה קוואנטית", שאפשר לומר שכדי לעבור דרכה נאלץ האלקטרון (או אותו חלק ממנו שנתקל במחסום) לחשוף את אופיו החלקיקי. אבל באותה עת יכול החלק האחר של גל-האלקטרון, שבחר במסלול עקיפה אחר, להמשיך ולהתנהג כגל לכל דבר. כך, למעשה, התקיימו - ונמדדו - במערכת הניסוי הזאת, בעת ובעונה אחת, גם המופע החומרי וגם המופע הגלי של אותו אלקטרון עצמו. בדרך זו הוכיחו המדענים - לראשונה - שה"קופסה הקוואנטית" החושפת את אופיו החלקיקי של האלקטרון, בכל זאת משמרת גם את אופיו הגלי.
 
כאמור, בסיומם של מסלולי העקיפה חוזרים גלי-האלקטרון ונפגשים, תוך שהם מתאבכים אלה לעומת אלה (בהתאבכות "הורסת", או בהתאבכות "בונה"). בניסוי המקורי נמצא שההתאבכויות ההורסות והבונות מתחוללות במחזוריות קבועה. אבל בשלב זה שיכללו החוקרים, יחד עם תלמיד המחקר אייל בוקס והפוסט-דוקטורנט רלף שוסטר, את המערכת, וגילו להפתעתם שההתאבכויות אכן מתחוללות במחזוריות קבועה, אלא שהמעבר בין המחזורים הוא חד מאוד. במערכת חדשנית וייחודית זו נמדדה לראשונה ה"פאזה" היחסית של גל-האלקטרון שעובר דרך הקופסה הקוואנטית (שהיא גודל חשוב במכניקת הקוואנטים).
 
כדי לחפש הסבר לתופעה הזאת החלו הפיסיקאים הניסיונאים לשתף פעולה עם עמיתיהם הפיסיקאים העיוניים, תלמידי המחקר אלקס קמנב, יובל אורג ומשה שכטר, והפרופסורים יוסף אמרי, יהשע לוינסון ויובל גפן. צוות זה הציע הסבר פיסיקלי לעובדה שהמעבר בין ההתאבכויות הבונה וההורסת הוא חד מאוד. בהמשך הצליחו תלמיד המחקר יובל אורג ופרופ' יובל גפן לפתח מודל פיסיקלי תיאורטי, שגם בו נוצרת מחזוריות כזאת. האם המודל הזה אכן מתאר את התהליכים שנצפו בניסוי? מדוע בכלל מתחוללת המחזוריות הזאת בטבע? שאלות אלה ייחקרו בעתיד על ידי מדענים במכון ויצמן למדע, ובמקומות נוספים בעולם. לפתרון התעלומה עשויות להיות השלכות לא צפויות על הכללים שישלטו ברכיבי האלקטרוניקה הקוואנטית של העתיד.
 
מחסום על מסלול העקיפה
 
מחסום על מסלול העקיפה
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם