אחד מול מאה אלף

מדעני המכון קירו יון בודד והרבה מאוד אטומים לטמפרטורה של כמיליונית מעלה מעל לאפס המוחלט – והכניסו אותם לאותה מלכודת. להפתעתם, גילו שהיון החל להתחמם. בהמשך הבינו המדענים את הגורמים לכך, שגם קובעים את מידת הקירור המרבית שאליה אפשר להביא תערובת של יון בודד עם אטומים רבים מאוד. 

בטמפרטורות נמוכות מתרחשות תופעות קיצוניות: חשמל זורם ללא התנגדות, נוזלים זורמים ללא חיכוך, ומצבי צבירה חדשים מופיעים. על התנהגות האטומים במצבים אלה חולשת הפיסיקה הקוונטית, והטמפרטורות הקרות ביותר שמדענים הצליחו להגיע אליהן, פחות ממיליונית מעלה צלזיוס מעל האפס המוחלט, נוצרו באוסף של אטומים מקוּררי-לייזר (קרני הלייזר בולמות בהדרגה את תנודות האטומים, ובכך מקררות אותם) ולכודים. שני סוגים שונים של אטומים מקוררי-לייזר קוררו לטמפרטורות כל כך קיצוניות. בסוג הראשון, אטומים נייטרליים, קוררו "עננים" המכילים מאות אלפי אטומים, ויצרו מצבי צבירה חדשים. אשר לסוג השני, יונים (אטומים בעלי מטען חשמלי), כאן קורר מספר קטן של יונים בתוך מלכודות, דבר שלימד כי הם יכולים לשמש כשעונים אטומיים מדויקים, וכן כבסיס למחשבים קוונטיים.

במכון ויצמן למדע, בקבוצתו של פרופ' רועי עוזרי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, הצליחו בעבר לקרר מספר קטן של יונים לטמפרטורה של מיליונית מעלת קלווין מעל לאפס המוחלט. בניסויים אחרים הצליחו לקרר לטמפרטורות אלה "עננים" של מאות אלפי אטומים.

אבל עד כמה אפשר לקרר תערובת של אטומים ויונים יחד, כך שיוכלו להימצא באותה מלכודת? האם תופעות קוונטיות חדשות יתגלו באמצעות ה״קוקטייל״ החדש הזה? זו השאלה שפרופ' עוזרי, מדען הסגל ד"ר ניצן אקרמן, ותלמידי המחקר ד"ר זיו מאיר, תומס סיקורסקי, רותי בן-שלומי, ויוני דלאל, ביקשו לפתור. הם קיררו באמצעות לייזרים כ-100,000 אטומים לטמפרטורה של מיליונית מעלה. במקביל הם קיררו יון אטומי בודד ולכוד לאותה הטמפרטורה. בטמפרטורה זו מצוי היון במצב האנרגיה הנמוך ביותר בו מתירה לו תורת הקוונטים להיות (מצב היסוד של המלכודת), ובמצב זה, כל האנרגיה של היון נובעת מתנודות קטנות המתחייבות מעקרון אי-הוודאות של הייזנברג.

האטומים והיון קוררו בשיטות שונות (האטומים קוררו באמצעות קרני לייזר, והיון - באמצעות שדות חשמליים), ובתאי ואקום שונים, המרוחקים 25 סנטימטרים אחד מהשני. בשלב זה העבירו המדענים את "ענן האטומים" באמצעות "מסוע" העשוי מקרני לייזר אל תוך תא הוואקום שבו שהה היון המקורר - ובדקו כיצד האנרגיה שלו משתנה במשך הזמן. היות  שהאטומים קרים מאוד, ציפו החוקרים שהיון יישאר במצב היסוד של המלכודת. אלא שלהפתעתם, כאשר מדדו את היון, התברר להם שבמקום להתקרר, הוא החל להתחמם. נוכח הפער בין החיזוי לבין ממצאי המדידה הם החלו לחפש את הסיבה לתופעה זו.

כך התברר, שהיון – אשר נע ללא הרף כתוצאה מהשדות החשמליים שלוכדים אותו - התנגש שוב ושוב באטומים, דבר שגרם להתחממותו. זאת ועוד: התברר שהתפלגות האנרגיה של היון לאחר ההתנגשויות עם האטומים אינה שגרתית, ולפרקים התחמם היון והגיע לאנרגיות גבוהות פי 1,000 ויותר מהטמפרטורה שלו-עצמו. תוצאות אלה מלמדות על מידת הקירור המְרַבּית שאליה אפשר להביא תערובת כזאת של יון בודד עם אטומים רבים מאוד. "בדרך זו הצלחנו להבין את המנגנון שקובע את גבול הקירור", אומר פרופ' עוזרי. "השתמשנו בכלים מתמטיים שעכשיו מאפשרים לנו, ולמדענים נוספים בעולם, לבחון תהליכים דומים במערכות שונות".

למעשה, כלים מתמטיים אלה, אשר מתארים התפלגויות הכוללות אירועים קיצוניים, עשויים לשמש בין היתר ליישומים שמייסדי תורת הקוונטים לא חשבו עליהם; למשל, חישוב וחיזוי של תנודות במחיריהן של מניות ואיגרות חוב בבורסות לניירות ערך, ועוד.