חומרים בצומת דרכים

להפוך בן רגע חומר מאטום לשקוף או ממוליך למבודד זה כבר לא מדע בדיוני – באמצעות קרן אור חזקה וממוקדת (לייזר) ניתן בשנים האחרונות לשנות במהירות את תכונות החומר. מכיוון ששינויים אלו מתרחשים בטווחי זמן של אטו-שניות – מיליארדית מיליארדית השנייה – קשה מאוד להתחקות אחריהם ולהבין שלב אחר שלב כיצד הם מתרחשים. במחקר חדש המתפרסם בכתב-העת Nature Photonics מציגה קבוצתה של פרופ' נירית דודוביץ' ממכון ויצמן למדע שיטה חדשנית המאפשרת לעקוב אחר שינויים מהירים אלה בחומר. התפתחות זו בחקר תהליכים של אטו-שניות יכולה להוביל בעתיד ליישומים שונים ולסלול את הדרך לתקשורת ולחישובים מהירים במיוחד.

מי שראה קשת בענן מימיו צפה למעשה באופן שבו אור מאט ונשבר כשהוא עובר דרך חומר (טיפות הגשם). מכיוון שקרן שמש מורכבת מגלי אור רבים בצבעים שונים וכל אחד מהם מאט במידה שונה, הגוונים נפרדים זה מזה לקבלת קשת מרהיבה. אנו רגילים לחשוב שחומר כמו זכוכית או מים שובר אור בדפוס קבוע. ואולם, במחקר החדש הבחינו במעבדתה של פרופ' דודוביץ' כי לייזר עוצמתי יכול לשנות במהירות את תכונות השבירה של החומר, כלומר לשנות את המידה שבה יאט אור העובר דרכו. המדענים שיערו כי אם יצליחו למדוד את השינויים העדינים במיוחד במידת ההאטה, הם יוכלו ללמוד על האופן שבו לייזר עוצמתי משנה במהירות את תכונות החומר.

""התגליות עשויות להוביל לפיתוח מעבדים מהירים שיאיצו בסדרי גודל את הקצב שבו מידע מועבר או מעובד"

השיטה החדשה שאפשרה את המדידה פותחה בהובלתם של תלמידי המחקר עומר קנלר, חן מור ונועה יפה, כולם מקבוצתה של פרופ' דודוביץ' במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. המדידה מבוססת על שתי קרני לייזר: אחת עוצמתית, המורכבת מהבזקים ארוכים יחסית, אשר תפקידה לחולל שינוי בחומר; והשנייה מבליחה להבזקים קצרים במיוחד של אטו-שנייה ומשמשת כמעין "מצלמת וידאו" ברזולוציה גבוהה. לאחר שהבזקי האור המהירים עוברים בחומר ומאטים, מפגישים אותם עם הבזקים שתכונותיהם ידועות. המדענים מנתחים את הגל שהתקבל מהשילוב בין השניים ומצליחים לשחזר בדיוק איך השתנתה מידת ההאטה של האור במעברו בחומר.

"ווייז" קוונטי ומחשב מהיר

במכניקת הקוונטים, תכונותיו של חומר נקבעות על פי סולם רמות האנרגיה הקיימות בו. אלקטרונים, חלקיקים בעלי מטען חשמלי בחומר, יכולים לנוע בין השלבים בסולם רמות האנרגיה אם הם מקבלים או מאבדים בדיוק את כמות האנרגיה המתאימה. לייזר עוצמתי משנה את תכונות החומר משום שהוא משנה את מיקום השלבים בסולם – הוא יכול לגרום לשני שלבים להתלכד לאחד, לשלב בודד להתפצל לשניים וכן הלאה.

כשם שיישומי ניווט כמו "ווייז" יכולים להעריך כמה זמן תיקח הנסיעה מנקודה אחת לשנייה בכל מסלול, השיטה החדשה מאפשרת לשחזר מתוך זמן העיכוב של האור את "תוכנית הנסיעה" של האלקטרון בין רמות האנרגיה בחומר. ממסעו של האלקטרון לומדים המדענים כיצד רמות האנרגיה בחומר השתנו בתגובה ללייזר העוצמתי. המדענים יישמו שיטה זו תחילה כדי ללמוד כיצד משנה קרן הלייזר את התכונות של אטומים בודדים. עם זאת, הם מציגים במחקר גם חישובים תיאורטיים המראים כי ניתן ללמוד באמצעות השיטה על מפגשים בין אור לחומרים מורכבים יותר.

"ברגע שאנו יודעים להתחקות אחר 'מסעם' של אלקטרונים בודדים בין רמות האנרגיה בחומר", אומרת פרופ' דודוביץ'. "אנו יכולים להשתמש באור ובידע שצברנו על השפעותיו, על מנת לשנות במכוון ובאופן מדויק את תכונות החומר תוך מאות או עשרות אטו-שניות. על בסיס יכולת זו עשויים להתפתח המעבדים המהירים ביותר שניתן לייצר אשר יאיצו בסדרי גודל את הקצב שבו מידע מועבר או מעובד. לשיטה החדשה יש משמעות חשובה גם ברמת המחקר הבסיסי – אנו מקווים שהיא תסייע לנו לייצר תצלומי בזק של אלקטרונים בזמן תנועתם ובכך להתבונן על מגוון תופעות קוונטיות שהיו נסתרות עד היום".  

במחקר השתתפו גם ניקולאי די. קלימקין, פרופ' אולגה סמירנובה, ד"ר סרגיי פצ'קובסקי ופרופ' מיקאיל איבנוב ממכון מקס בורן בברלין; ד"ר מיכאל קרוגר מהטכניון בחיפה; ד"ר דורון עזורי מ-MIT, בקיימברידג', מסצ'וסטס; ד"ר איילת ג. אוזן-נרובלנסקי מאוניברסיטת פרינסטון בניו-ג'רזי; יותם פדרמן וד"ר ברי די. ברונר מהמחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ;ד"ר דבוברטה ראג'ק ופרופ' יאן מאיירס מאוניברסיטת בורדו בצרפת.