מערבולת של אטום אחד

סופות הוריקן או טייפון מתפרסות על-פני מאות קילומטרים, אך מערבולות יכולות להסתחרר גם בממדים צנועים בהרבה. מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף פעולה עם חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת תל-אביב, יצרו באחרונה, לראשונה, מערבולת המורכבת מאטום בודד. מערבולות אטומיות מסוג זה עשויות לסייע להשיב על שאלות יסוד על אודות העולם התת-אטומי ואף לשכלל טכנולוגיות דימות כגון מיקרוסקופיה אטומית.

כבר שנים שמדענים מנסים לייצר במעבדותיהם סוגים שונים של ננו-מערבולות, ובזמן האחרון ממוקדת תשומת הלב המדעית בניסיון לייצר אלומות מעורבלות – זרם חלקיקים מסתובבים שאפילו המבנה הפנימי שלהם מצוי בסחרור. מערבולות של אלקטרונים ופוטונים (חלקיקי אור) כבר נוצרו בעבר במעבדה, אולם אלומות מעורבלות של אטומים היו עד לא מזמן בגדר ניסוי מחשבתי בלבד. "במהלך דיון תיאורטי עם פרופ' עידו קמינר מהטכניון, העלינו רעיון לניסוי שעשוי היה לייצר מערבולות של אטומים בודדים", מסביר ד"ר יאיר שגב, שהשלים לא מכבר את לימודי הדוקטורט במעבדתו של פרופ' אדוארדס (אד) נרייביצ'יוס מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון.

במונחים של פיסיקה קלאסית, עצמים מסתובבים מאופיינים לרוב בתכונה הנקראת תנע זוויתי. בדומה לתנע קווי, תכונה זו מתארת את סך כל המאמץ שנדרש כדי לעצור את תנועתו של העצם הנע או במקרה זה – המסתובב. ואולם תכונה זו, המאפיינת מערבולות קטנות כגדולות, עוברת "סיבוב" משלה במעבר לממד הקוונטי. ראשית, בניגוד למקביליהם מהפיסיקה הקלאסית, חלקיקים קוונטיים אינם יכולים לקבל כל ערך של תנע זוויתי, אלא רק מנות בדידות (קוונטום). הבדל נוסף המאפיין סחרור קוונטי הוא שתכונת הסיבוב עצמה אינה דומה לסיבוב של מדחף, אלא יותר לגל המסתובב סביב צירו.

בדומה לשובר גלים המנתב את זרימת גלי הים, גם גלים קוונטיים ניתנים לתמרון ולעיצוב. "באמצעות הצבת מכשולים פיסיים בדרכו של האטום, ביכולתנו לתמרן את צורת הגל של החלקיק וליצור צורות גל שונות", מסביר אלון לוסקי, דוקטורנט במעבדתו של פרופ' נרייביצ'יוס. לוסקי וד"ר שגב, אשר הובילו מחקר זה בשיתוף עם רע דוד ממעבדתם, שיתפו פעולה עם עמיתים באוניברסיטת תל-אביב כדי לפתח שיטה חדשנית לעיצוב תנועת אטומים. הם יצרו "שוברי גלים" זעירים – דיסקות קרמיות בקוטר כמה מאות ננומטרים שעליהן חריטות בדוגמאות שונות. כאשר החריטות הן בצורת מזלג, כל אטום העובר דרכן מתנהג כמו גל העובר דרך מכשול פיסי, צובר תנע זוויתי – ויוצא מצדו השני של המכשול כמערבולת. המזלגות הזעירים יוצרו בתהליך ננומטרי שפיתחו בשביל הניסוי ד"ר אורה ביטון והילה נדלר במחלקה לתשתיות למחקר כימי במכון.

כעת, כאשר הציוד הדרוש בידיהם, כיוונו החוקרים קרן על-קולית של אטומי הליום לכיוון החריטות הננומטריות שיצרו. עוד טרם ההתנפצות על "שוברי הגלים", עברה הקרן דרך מערך חריצים זעירים שמנעו מחלק מאטומי ההליום להתקדם הלאה והעבירו רק אטומים שמזכירים בהתנהגותם גלים גדולים – ולכן נוחים יותר לעיצוב. כאשר אטומים "גליים" אלה באו במגע עם המזלגות הננומטריים, הם עוצבו לכדי מערבולות שעוצמתן ומאפייניהן תועדו באמצעות גלאי.

בעין הדונאט

סופגניית "דונאט" – זו התוצאה שהתקבלה כתוצאה מהתנגשות מיליוני אטומי הליום מסוחררים בגלאי. "כאשר ראינו את הדונאט, ידענו שהצלחנו לייצר מערבולות של אטומי הליום", אומר ד"ר שגב. בדומה ל"עין הסערה", החור בדונאט הוא המקום שבו עוצמת הגלים שווה לאפס, כך שהאטומים כלל לא מגיעים לשם. "התמונות שקיבלנו הן למעשה החותם שהותירו האלומות האטומיות המעורבלות", מסביר פרופ' נרייביצ'יוס.

מערבולות אטומיות מסוג זה עשויות לסייע להשיב על שאלות יסוד על אודות העולם התת-אטומי ואף לשכלל טכנולוגיות דימות כגון מיקרוסקופיה אטומית

במהלך הניסויים הבחינו החוקרים בתצפית משונה. "לצד הדונאטס המושלמות היו גם שני 'כתמי רעש'", אומר ד"ר שגב. "תחילה חשבנו שמקור הבעיה טמון במכשור שלנו, אך לאחר חקירה מעמיקה הבנו שמה שאנחנו רואים הוא מולקולות לא שגרתיות, כל אחת מורכבת משני אטומי הליום אשר נפגשו בקרן האטומית". במלים אחרות, המערבולות שהחוקרים הצליחו לייצר היו לא רק אטומיות, אלא גם מולקולריות.  

החוקרים השתמשו אמנם באטומי הליום, אך המערך הניסויי שבנו יכול לשמש ליצירת מערבולות גם של אטומים ומולקולות אחרים. מערך זה מהווה תשתית לחקר תכונות תת-אטומיות סמויות, לדוגמה, אופן התפלגות המטען של פרוטונים או ניוטרונים עשוי להיחשף רק כשהאטום כולו מסוחרר. חוץ מגישה חדשנית לחקר התכונות הבסיסיות של חומרים, אלומות אטומיות מעורבלות יוכלו לשמש גם במגוון טכנולוגיות, ובראשן מיקרוסקופיה אטומית. האינטראקציה בין האטומים המסוחררים לחומר הנבדק תחת המיקרוסקופ עשויה להוביל לגילוי תכונות חדשות של החומר הנחקר ולחשוף מידע רב ערך שאינו נגיש כיום.