קוואנטים על השולחן

 

"אולי יש חמישים צדיקים בתוך העיר", אמר אברהם לאלוהים, "חלילה לך מעשות כדבר הזה, להמית צדיק עם רשע". הסוף כמובן ידוע, אבל הסיפור התנ"כי המפורסם לא מציע תשובה חד משמעית באשר למספר המינימלי של צדיקים שקיומם היה יכול להציל את סדום ועמורה. איפה, באמת, עובר הגבול בין טוב לרוע? בין כף הזכות לכף החובה? השאלות האלה מזכירות במבניהן שאלות שמעסיקות פיסיקאים בכל העולם. למשל: איפה עובר הגבול בין העולם המאקרוסקופי לעולם המיקרוסקופי?

 

בעולם המאקרוסקופי - הוא עולמה של המציאות הפיסית הנראית לעין - שולטת בבירור הפיסיקה הניוטונית. לעומת זאת, העולם המיקרוסקופי, עולמם של האטומים הבודדים, מתנהג לפי חוקיה של תורת הקוואנטים. בעולם החפצים ה"גדולים" - חלקיק הוא חלקיק. יש לו מאסה שאפשר למדוד אותה, יש לו מטען חשמלי, ועוד כיוצא באלו תכונות "גשמיות" חד משמעיות.

 

אבל בעולמה של תורת הקוואנטים, אותו חלקיק עצמו יכול להיחשב גם כגל - שהמאסה והמטען שלו מתפלגים לאורכו. בנוסף לכך, כידוע, גלים מתאבכים (באופן דומה להתאבכותם של גלי אור), כך שהם יכולים לחזק או להכחיד זה את זה - תופעה מנוגדת לחלוטין לטבעם של חלקיקים.

 

האלקטרונים המצויים בגושי חומר קטנים מאוד (מיקרוסקופיים) מתנהגים כגלים ונעים במסלוליהם ללא הפרעה. אך ככל שגוש החומר שבו הם יכולים לנוע גדל בהדרגה, מתרבים סיכוייהם להפסיד את תכונותיהם הגליות כתוצאה מהשפעותיהם של שאר החלקיקים. כשגוש החומר מגיע לגודל מסויים (התלוי בסוג החומר ובטמפרטורה), מתחולל בו מעין "מהפך": האלקטרונים הנעים בגוש החומר הזה מאבדים את תכונותיהם הגליות במהירות כזו, עד שכדי להבין ולהסביר את "התנהגותם" די בחוקי הפיסיקה הניוטונית ה"רגילה", ואפשר למעשה להתעלם מחוקיה של תורת הקוונטים.

 

כמה אטומים בדיוק צריכים להיכלל בגוש חומר כדי שהוא יעבור את הגבול הזה? איזו פיסיקה חלה על גושי חומר "בינוניים" ("מזוסקופיים") שמצויים ב"אזור האפור" שבין שני העולמות הפיסיקליים האלה? האם אפשר למדוד במכשירי מדידה חשמליים רגילים את תכונותיהם הקוונטיות הגליות של האלקטרונים?

 

השאלות האלה, בין היתר, עומדות במרכז מחקריהם העיוניים (תיאורטיים) של הפרופ' יוסף אמרי וחבריו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה. עבודותיו העיוניות של הפרופ' אמרי עומדות בבסיסו של תחום מחקר חדש יחסית בפיסיקה של מצב מוצק: פיסיקה מזוסקופית. כדי לבחון את הרעיונות העיוניים בעולם המעשה, הגה ויזם הפרופ' אמרי את הקמתו של המרכז למחקר תת-מיקרוני שתוכנן ומנוהל על ידי הפרופ' מרדכי הייבלום. מחקריהם של המדענים העובדים במרכז זה, עשויים להיות מיושמים בהתקנים אלקטרוניים זעירים מסוג חדש: "התקני גבול" שהפיסיקה הפועלת בהם נשמעת בעיקר לחוקיה של תורת הקוואנטים.

 

מדובר בהתקנים אלקטרוניים שמצד אחד יהיו זעירים, מהירים ורבי עוצמה בהרבה מההתקנים הידועים היום, ומצד שני יפעלו לפי "חוקי משחק" שונים לחלוטין מחוקיה של האלקטרוניקה העכשווית. מדובר באלקטרוניקה שתפעל על פי חוקיה של תורת הקוואנטים, דבר שמשמעותו המעשית עדיין מהווה תעלומה בלתי פתורה.

 

"מכשיר מדידה עתידי שיתבסס על התקנים כאלה", אומר הפרופ' אמרי, "יוכל, למשל, למדוד את הפעילות החשמלית של הלב מבלי לחדור לגוף ואפילו מבלי לגעת בעורו של הנבדק. יכולת זו", הוא מסביר, " נובעת מאחת מתכונותיה הבסיסיות ביותר של תורת הקוואנטים: שינוי מיידי ומדיד של חלקיק אחד (שבמקרה זה מתפקד כגל), כתוצאה משינויים זעירים בשדה שיוצר חלקיק אחר המצוי בקרבתו". מי שההסבר הזה נשמע לו מטורף מעט, יכול להתנחם בידיעה שהוא מצוי בחברה טובה. הפיסיקאי המפורסם נילס בוהר כבר קבע מזמן ש"כל מי שרק מתחיל לרדת לצפונותיה של תורת הקוואנטים חייב להזדעזע עד עמקי נשמתו".

 

 

להזדעזע או לא להזדעזע, במרכז למחקר תת מיקרוני מתכוונים לרתום את תורת הקוואנטים לעגלתה של הטכנולוגיה המודרנית. כמו אברהם התנ"כי שהקטין בהדרגה את מספרם (התיאורטי) של צדיקי סדום, מקטינים חוקרי המרכז את מספרם של האטומים הכלולים בגוש חומר שממנו מייצרים התקן, או מעגל אלקטרוני משולב (ראה שרטוט הממחיש את שלבי ייצורו של התקן אלקטרוני תת-מיקרוני מסוג זה). במלים אחרות, חוקרי המרכז מקטינים בהדרגה את "עולמם" של האלקטרונים הנעים במעגלים החשמליים.

 

כאשר "עולמם של האלקטרונים" קטן במידה מספקת, הם נעים בחומר מבלי להתנגש בחלקיקים אחרים. אלקטרונים כאלה קרויים "אלקטרונים באליסטיים", ובנוסף לתכונותיהם הגליות, הם מתקדמים בחומר במהירות גדולה ממהירות תנועתם של אלקטרונים "רגילים" הנעים במסלולים האלקטרוניים העכשוויים. אלקטרונים באליסטיים היו ידועים בתיאוריה, אבל פרופ' מרדכי הייבלום היה הראשון שגילה אותם במציאות (בעת שעבד במעבדות יבמ).צמצום "עולמם של האלקטרונים" מפחית גם את "אופציות התנועה" העומדות לפני האלקטרונים הנעים ב"עולם" הזה, דבר שבסופו של דבר (בעתיד) נועד להכריח אותם לנוע במסלולים חד-ממדיים, כלומר, מסלולים מוגדרים שלא יאפשרו לאלקטרונים לפנות ימינה או שמאלה .

 

מזעור נוסף של "עולם האלקטרונים" מביא ליצירתם של "אזורים נקודתיים" או "קופסאות קוונטיות" שהאלקטרונים הנתונים בהם "קפואים" במצביהם הקוונטיים. חוקרי הקבוצה העיונית עוסקים באחרונה (תוך שיתוף פעולה עם עמיתים בארץ ובחו"ל), בחקר רעיונות חדשניים על מצביהן האנרגטיים של קופסאות קוונטיות כאלה, ועל התנהגותם של אלקטרונים הכלואים בהן.

 

"הגבולות בין הפיסיקה התיאורטית לזו הניסיונית, לא תמיד ברורים" אומר פרופ' הייבלום. "לעתים אנו, הניסיונאים מגלים תופעה כולשהי שאנחנו לא מבינים אותה, ואז אנחנו פונים לעזרתם של התיאורטיקאים". פרופ' אמרי מתאר מסלול התפתחות הפוך: "ולפעמים, לנו, התיאורטיקאים יש רעיון מסויים, השערה מסויימת, ואז אנחנו באים אל הניסיונאים ומבקשים מהם לבדוק בשבילנו מה בדיוק קורה בתנאים מסויימים, במערכת מסויימת". התוצאה היא זרימה מתמדת ודו כיוונית של מידע, ידע ורעיונות, דבר שמאיץ הן את ההבנה התיאורטית של הפיסיקה של "החיים על הגבול", והן את האפשרות ליצור ולפתח התקנים אלקטרוניים קטנים יותר, מהירים יותר, בעלי יכולות מרשימות יותר, הפועלים בכוחם של חוקים פיסיקליים שלפחות במבט ראשון, עלולים להיראות "מוזרים" יותר.

 

הישג חשוב בתחום זה, הושג באחרונה כאשר חוקרי המרכז למחקר תת מיקרוני הצליחו לפתח התקן שהאלקטרונים שנעים בו אכן מתנהגים כגלים - ולא כחלקיקים. החוקרים איפשרו לחלקיקים-הגלים האלה להתאבך. התאבכות הורסת או בונה כזאת איפשרה להבין את התכונות הגליות של האלקטרונים, וללמוד כיצד התקנים זעירים משפיעים על התפשטותם של גלי אלקטרונים כאלה. תוצאותיהם של ניסויים אלה מתאימות ברובן ל"תמונה" עיונית שפיתח בעבר הפרופ' אמרי, יחד עם הפרופ' יובל גפן (ואשר שימשה בסיס לניסויים רבים שבוצעו במקומות שונים בעולם). עוד מניבוייהם העיוניים החדשניים של פרופ' אמרי וחבריו, המבוססים על תכונותיהם הקוונטיות הלא צפויות של האלקטרונים, אומתו באחרונה בניסויים.

 

 

בהמשך פיתחו חוקרי המרכז הת מיקרוני שיטה למדידת קצב המעבר של חלקיקים-גלים כאלה דרך התקנים, דבר שמאפשר לדעת אם החלקיקים-גלים עוברים בהתקן בזה אחר זה, בסדר מחזורי ("לפי התור"), או שהם עוברים בהתקן באופן אקראי שאינו ניתן לניבוי. בנוסף לכך, בחנו החוקרים התקנים שמספר האלקטרונים בהם קטן מאוד, ותנועתם קשה (בדיקות אלה בוצעו באמצעים אופטיים עדינים). התברר שהאור הנפלט מהתקנים מיוחדים אלה שונה באופן דרמטי מהאור שנפלט מהתקנים מוליכים רגילים (שוני שהתבטא בהתפלגותם של אורכי גלי האור). בנוסף להישגיה של הקבוצה העיונית, העמידו הישגים אלה את המרכז למחקר תת-מיקרוני שבמכון קרוב מאוד למרכז המפה העולמית של העיסוק בתחום מחקר זה.

 

ההבנה של "חוקי הטבע" המכתיבים את התנהגותם של אלקטרונים במערכות שמצויות על הגבול שבין הפיסיקה הניוטונית ה"מציאותית" וה"רגילה" לבין הפיסיקה של תורת הקוואנטים, עשויה להביא לפיתוח של מגברים אלקטרוניים לאותות חלשים מאוד, והתקנים אלקטרו-אופטיים חדשים.

 

פיתוחים מסוג זה עשויים למצוא את יישומיהם ברדיו-טלסקופיה, בהתקני תקשורת והעברת אותות מידע, במחשבים ובטכנולוגיות עתידיות נוספות, לרבות מתקנים לאבחנה רפואית ולמתן טיפולים רפואיים שונ