במהירות ההבזק

אחת התופעות הבסיסיות במכניקה הקוונטית מתרחשת כשאור פוגע בחומר ומשחרר ממנו אלקטרון. התהליך  המכונה האפקט הפוטואלקטרי, מהווה לפיסיקאים צוהר לעולם הקוונטי, שכן מצבו הקוונטי של חומר משתקף באותם אלקטרונים חופשיים, ומאפשר למדוד אותו. עם זאת, תהליך זה הוא אחד המהירים בטבע – הוא מתפתח במשך כמה עשרות או מאות אטו-שניות (מיליארדיות של מיליארדית השנייה), כך שכל ניסיון למדוד אותו ישירות מהווה אתגר עצום. פרופ' נירית דודוביץ וקבוצת המחקר שלה במכון ויצמן למדע הדגימו באחרונה מתווה "הפוך" לבחינת התכונות הקוונטיות של אלקטרונים שנפלטו.

"פיסיקאים בוחנים בדרך כלל את המצב הקוונטי של החומר על-ידי שליפת אלקטרון באמצעות פוטון אנרגטי, אבל גישה זו מובילה לאובדן מידע חשוב", אומרת פרופ' דודוביץ, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. "אנחנו הפכנו לחלוטין את הסדר באמצעות שימוש בתהליך המכונה פוטו-רקומבינציה. בעוד אחרים מודדים את האלקטרון שהפוטון משחרר, אנחנו מודדים את הפוטון שנפלט כשהאלקטרון מתנגש באטום והשניים מתאחדים בחזרה. אלה שני צדדים של אותו מטבע, אך מתברר שהיכולת למדוד את הפוטון הנפלט – הבזק אור מהיר במיוחד – מספקת גישה למידע שעד כה אי-אפשר היה להגיע אליו".

"הפאזות האלה כבר חושבו, אבל זו הפעם הראשונה שבה הן נמדדות. זה היה ניסוי מרגש - לגלות שבידינו היכולת למדוד באופן ישיר תופעות כה יסודיות בפיסיקה"

מעבדתה של פרופ' דודוביץ מתאימה במיוחד למחקר מסוג זה, שכן היא מתמחה בשיטות מדידה מתקדמות המאפשרות לחקור תופעות אולטרה-מהירות ברזולוציה של אטו-שניות. מכיוון שהמצב הקוונטי של החומר משתקף בתכונות הגל של הבזקי אור מהירים אלה, קבוצת המחקר חיפשה דרך למדוד תכונות אלה – אורך הגל, המשרעת שלו והפאזה. מדידות פאזה מתבצעות בדרך כלל בעזרת אינטרפרומטר, מכשיר המצוי כמעט בכל מעבדה העוסקת בפיסיקה אופטית. האינטרפרומטר בוחן תבניות התאבכות של גלים – דוגמת גלי אור או גלים של חלקיקים טעונים – ומשתמש בדפוסי ההתאבכות כדי לחשוף את אופיין של התופעות הקוונטיות שיצרו את אותם הגלים.

יום אחד לפני כשנתיים, אחד מתלמידיה של פרופ' דודוביץ, דורון עזורי, הזעיק אותה בהתרגשות. אות בלתי-צפוי שהופיע במהלך בדיקת כיול שגרתית חשף סימן קלוש של התאבכות בין שני הבזקים של אטו-שניות. גילוי מקרי זה הניע את חברי הקבוצה לבצע שדרוגים משמעותיים במערך הניסוי, עד שהצליחו להגיע לרמת דיוק חדשה. כך הבינה הקבוצה שההתאבכות שבה צפו הייתה תולדה של אלקטרונים המתאחדים עם האטומים שלהם בתהליך פוטו-רקומבינציה. הם הבינו גם שהשיטה כה מדויקת, עד שאפשר להשתמש בה לא רק כדי להתבונן במפגש המחודש של האלקטרון והאטום, אלא גם כדי למדוד אותו. עזורי, פרופ' דודוביץ וחברי צוות המחקר ד"ר מיכאל קרוגר ועומר קנלר תכננו מערכי ניסוי שמטרתם למדוד את מאפייני הגל האלה. ממצאי סדרה אחת של ניסויים, שפורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Photonics, מראים כי מדידות הפאזה אפשרו לקבוצה למדוד באופן מלא את האפקט הפוטואלקטרי.

"הפאזות האלה כבר חושבו – אפשר למצוא את המספרים האלה בספרי הלימוד. אבל זו הפעם הראשונה שבה הן נמדדות באופן ישיר ומדויק. מדדנו אותן ברמת דיוק של אטו-שנייה, והמדידות התאימו בצורה מושלמת לחישובים. זה היה ניסוי מאוד מרגש – לגלות שבידינו היכולת למדוד באופן ישיר תופעות כה יסודיות בפיסיקה. יש לקוות שהתוצאות שלנו ישמשו מצע לגילוי תופעות אולטרה-מהירות חדשות במערכות מורכבות יותר", מסכמת פרופ' דודוביץ