כל גל נושא מזכרת

 

כאשר אנו מנסים לטפס מעל מחסום, עלינו להשקיע אנרגיה התלויה בגובה המחסום. תורת הקוונטים קובעת, כי חלקיק יכול לעקוף מחסום גם כאשר אין לו אנרגיה בכמות הדרושה כדי לדלג מעליו. תופעה זו מוכרת בשם מינהור: החלקיק עובר דרך המחסום, כך שברגע נתון הוא מתקיים בעת ובעונה אחת בתוך המחסום ומעֵבֶר לו. תופעת המינהור מרתקת פיסיקאים במשך שנים רבות, אך גם לאחר שנים של מחקר ושימוש בתופעה, היא עדיין אינה מובנת כל צורכה.

 

פרופ' נירית דודוביץ, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, וחברי קבוצת המחקר שהיא עומדת בראשה, בחנו באחרונה את אחת התופעות המהירות ביותר בטבע - מינהור המתרחש בפרק זמן של כמיליארדית-מיליארדית השנייה. תהליך מהיר זה מתרחש בעת שאור פוגש אלקטרון הקשור לאטום או למולקולה: כאשר אלקטרון הקשור לגרעין נחשף לאור בעוצמה גבוהה, המחסום הלוכד אותו מתכופף מעט, והאלקטרון יכול לעבור מינהור. תהליך המינהור מוביל ליינוּן – האלקטרון משתחרר מהקשר לגרעין ויכול לנוע באופן חופשי. התהליך כולו מתרחש בזמן הקצר מזמן המחזור של האור – בזמן אופייני של כ-100 אטו-שניות (אטו-שנייה היא מיליארדית-מיליארדית של שנייה).

 

במחקרם – שממצאיו פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Physics – שאלו פרופ' דודוביץ וחברי קבוצתה: כיצד מתפתחת תופעת המינהור? שהרי, גל האור מוביל לנדנוד מהיר מאוד של המחסום הקושר את האלקטרון, ובשיאו של הגל - המחסום מכופף, ולכן תהליך המינהור בשיאו. מנגד, בנקודת השפל, האור אינו מכופף את המחסום, ותהליך המינהור נעצר. שברי הזמן הקצרים בהם מתפתח התהליך מעלים את השאלה: האם האלקטרון משתנה או מגיב עם המחסום? או שמא התהליך מתפתח מיידית? האם אפשר לקרוא את השינוי שהתחולל באלקטרון בגלל המינהור? האם אפשר לראות הבדל בין שני אלקטרונים שהתמנהרו בתנאים שונים?

 

כדי לבחון את השאלות האלה, הוסיפו המדענים אור נוסף בצבע אחר, כך שזמן המחזור שלו כפול. בעזרת אור זה הם "עיצבו", בדיוק של אטו-שניות, את אופן התנודה של האור. הם עיצבו את מיקום השיא, המדרון והשפל של גל האור, ובכך גם השפיעו באופן ישיר על תופעת המינהור עצמה. במסגרת הניסוי בחנו המדענים כיצד משפיע עיצוב הגל על תופעת המינהור, ומדידה זו שימשה להם כמעין עדות לגבי מה שקרה בעת הפגיעה של האור בחומר. תוצאה זו, שמתעדת במעין "סרט" את השתנות הפוטנציאל האטומי במשך כ-100 אטו-שניות בלבד, יכולה להיחשב לאחד מהסרטים הקצרים שהפיק האדם מעולם.

 

אחד הממצאים שעלו מהמחקר הזה הוא, שלאלקטרון יש זיכרון: המחסום משאיר חותם על האלקטרון בעת המינהור. בעזרת מנגנון קריאה מתאים שפותח בקבוצת המחקר של פרופ' דודוביץ אפשר "לקרוא" את הזיכרון הזה, ולשחזר את התפתחות התהליך. המצב נעשה מורכב יותר, כמובן, כאשר מדובר באלקטרון שמצוי במולקולה, ולא באטום בודד. מה רשום בזיכרון של אלקטרון ש"נולד" לבדו, לעומת הזיכרון של אלקטרון שחי בחברותא עם אלקטרונים אחרים באטום, ואז עובר מינהור? השוואה של דוגמאות עם אלקטרונים בודדים מול דוגמאות עם אלקטרונים רבים, כמו במולקולות, יכולה ללמד אותנו על יחסי ה"חיברות" של האלקטרונים. אלה הן שאלות פתוחות שייבחנו בעתיד.