הריקוד המוזר של יון ואטום

כמו כדורים במשחק ביליארד, שני חלקיקים המתנגשים זה בזה, יעופו בדרך כלל לשני כיוונים מנוגדים. אבל בניסוי שבוצע לאחרונה במכון ויצמן למדע, חלקיקים מתנגשים הפגינו מהלך המתאים יותר לרחבת הריקודים מאשר לשולחן הביליארד: השניים – האחד אטום והשני יון, כלומר אטום בעל מטען חשמלי – התקרבו והתרחקו זה מזה לסירוגין, כמו בצעדי ריקוד חזרתיים, והתנהגו כמי שמחוברים בקפיץ ארוך ובלתי נראה. "הכוריאוגרפיה המוזרה הזאת נחשפה כבר במודלים שבנינו במחשב כהכנה לניסוי, אבל השתכנענו שזו תופעה אמיתית, רק אחרי שראינו אותה 'במו עינינו'", אומרת הדוקטורנטית מירב פנקס, שהובילה את המחקר במעבדתו של פרופ' רועי עוזרי במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות.

פנקס מסבירה שהמטרה המקורית של המחקר הייתה לצפות באפקטים קוונטיים חדשים, כלומר תופעות פיסיקליות שאינן מצייתות לחוקי הפיסיקה הקלאסית. מחקרים רבים כבר הוקדשו לאפקטים קוונטיים הנוצרים כתוצאה מהתנגשויות חלקיקים בתנאי קור קיצוניים, אך לרוב ניסויים אלה מתמקדים באטומים לחוד או ביונים לחוד, ולא בשניהם יחד, שכן זוהי משימה מאתגרת במיוחד מבחינה טכנית. מעבדתו של פרופ' עוזרי, לעומת זאת, דווקא ערוכה היטב להתמודדות עם אתגר זה בדיוק, לאור ניסיונה רב-השנים בחקר אטומים ויונים בטמפרטורות נמוכות במיוחד.

פנקס ושאר חברי הקבוצה – ד"ר אור כץ, יהונתן ונגרוביץ וד"ר ניצן אקרמן – תכננו ניסוי בטמפרטורה של פחות מ-1 מילי-קלווין או אחד חלקי אלף מעלה מעל טמפרטורת האפס המוחלט. משונה ככל שזה יישמע, כדי להגיע לתנאי קור כאלו, הם משתמשים בקרני לייזר הפוגעות באטומים או ביונים ומקפיאות אותם במקומם. במסגרת מערך הניסוי הנוכחי הם קיררו יון של המתכת סטרונציום, לכדו אותו במלכודת יונים וחשפו אותו לזרם של כחצי מיליון אטומי רובידיום, שאף הם קוררו בלייזר מבעוד מועד. כשהיון התנגש באחד האטומים, אלומת לייזר נוספת סייעה למפות את תוצאות האירוע.

""יצאנו לחפש תופעות קוונטיות ומצאנו תופעה מפתיעה של פיסיקה קלאסית"

ככל שהמערכת הניסויית קרה יותר, הסיכוי לחזות באפקטיים קוונטיים גדל. כך למשל הסף הקוונטי של המערכת שיצרו המדענים הוא כעשירית של מיליונית מעלה מעל האפס המוחלט. אבל בניסוי הנוכחי, הממצאים המפתיעים נרשמו עוד בטרם הגיעה המערכת לסף הקוונטי שלה, כלומר כשהיא הייתה עדיין "חמה" יחסית – מיליונית מעלה מעל האפס המוחלט, ואף חמה מכך – אלפית מעלה מעל האפס המוחלט – לאחר השימוש במלכודת היונים. אלה היו אמנם תנאים חמים מדי מכדי לצפות באפקטים קוונטיים, אך את ההפתעה סיפקה הפעם הפיסיקה הקלאסית: את הריקוד המוזר של היון והאטום ניתן להסביר באופן מלא באמצעות חוקי ניוטון. "יצאנו לחפש תופעות קוונטיות ומצאנו תופעה מפתיעה של פיסיקה קלאסית", אומרת פנקס.

כימיה קוונטית

המדענים זיהו שמשהו חריג קורה כשבדקו את התכונה הקוונטית הקרויה ספין. הם ראו כי לאחר התנגשות החלקיקים, הספין של יון הסטרונציום השתנה באופן שניתן היה להסיק ממנו שהוא נותר קשור איכשהו לאטום הרובידיום. רק בהמשך הם הבינו כי התנגשות החלקיקים הובילה למעשה להיווצרותה של מעין מולקולה; אמנם זו לא הייתה מולקולה יציבה לאורך זמן ומרכיביה היו רחוקים במיוחד זה מזה, אך בכל זאת היא התנהגה כמו מולקולה.

"זה היה מאוד משונה מכיוון ששני חלקיקים שמייצרים יחד מולקולה, מאבדים בתהליך חלק מהאנרגיה שלהם. אבל במערכת שלנו לאנרגיה העודפת לא היה לכאורה לאן ללכת, כך ששום מולקולה לא הייתה אמורה להיווצר", מסבירה פנקס את גודל ההפתעה. "בסופו של דבר מצאנו את ההסבר: האנרגיה העודפת נקלטה במלכודת היונים, וזה בדיוק מה שמנע מדרכיהם של האטום והיון להיפרד. אם נחזור לשולחן הביליארד, זה כאילו קצוות השולחן יתעקמו כלפי מעלה לזמן מה, וייצרו מעין קערה המונעת מהכדורים להתרחק יתר על המידה".

כדי לבחון את מולקולת הסטרונציום-רובידיום שיצרו, נעזרו המדענים בכלים קוונטיים. הם גילו כי שינוי עוצמת השדה המגנטי במלכודת היונים משנה את הספין של החלקיקים ומאפשרת לבחון את ההשפעה של תכונה זו על היווצרות המולקולה. בדיקות אלה עשויות לאפשר להבין לא רק איך נוצרת המולקולה, אלא גם כיצד ניתן לפרקה. "אנחנו רוצים להגיע לשליטה מדויקת ככל הניתן בתופעה הייחודית שגילינו", אומרת פנקס. שליטה שכזאת עשויה לתרום למשל לחקר הכימיה הקוונטית, ובכלל זאת התגובות הכימיות המתרחשות בחלל הבין-כוכבי בתנאי קור קיצוניים. למעשה, בדומה למערך הניסויי במחקר, התגובה הכימית הנפוצה ביותר בחלל הבין-כוכבי היא היווצרותם של יונים מולקולריים כתוצאה מהתנגשויות בין אטומים ויונים.

"אלה הכיוונים שביכולתנו לדמיין כיום", אומר פרופ' עוזרי, "אך היופי בתגליות מפתיעות זה שהן עשויות להוביל אותנו לטריטוריות חדשות לגמרי בדרכים שאין ביכולתנו כלל לדמיין כעת".