הינך נמצא כאן

מדידה בהפרעה

28.07.2014

דמיינו לעצמכם שאתם מנסים למדוד את גודלו של כדור טניס הקופץ לכל מיני כיוונים, בכל פעם למרחק גדול פי מיליון מקוטרו, באמצעות משקפת. ברור כי מדובר במשימה בלתי אפשרית: הקפיצות העצומות יוצרות "רעש רקע" אשר מפריע למדידה. אסטרטגיה שתוכל לעזור היא הצמדה של הכדור למכשיר המדידה. כך אפשר יהיה לנטרל את ה"רעש", ולמדוד את הכדור ללא הפרעה.


ב"טריק" דומה השתמשו פיסיקאים ממכון ויצמן למדע. כפי שדווח באחרונה בכתב-העת המדעי Nature, הם הצליחו למדוד אינטראקציות בין שני המגנטים הקטנים ביותר – שני אלקטרונים בודדים – לאחר שניטרלו רעש מגנטי חזק פי מיליון מהאות אותו ביקשו למדוד.


"לאלקטרון תכונה הקרויה ספין, מעין כיווניות, והוא כולל שני קטבים מגנטיים הפוכים, כך שלמעשה מדובר בננו-מגנט", מסביר ראש צוות המחקר, ד"ר רועי עוזרי, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. השאלה ששאלו המדענים היא, האם בדומה למגנטים רגילים, גם אלקטרונים יסתובבו עד שקוטביהם ההפוכים ייצמדו זה לזה.


במהרה התברר לצוות המחקר – אותו הוביל ד"ר שלומי קוטלר, ביחד עם ד"ר ניצן אקרמן, ד"ר ניר נבון וד"ר ינון גליקמן – כי חקר הכוחות המגנטיים בין שני אלקטרונים מהווה אתגר מורכב ביותר: כאשר האלקטרונים סמוכים זה לזה פועלים עליהם כוחות הגוברים על הכוח המגנטי. כאשר האלקטרונים מרוחקים זה מזה הכוח המגנטי הופך אומנם לדומיננטי, אך במונחים אבסולוטיים עדיין מדובר בכוח חלש, והוא נעלם בתוך הרעש המגנטי הסביבתי שמקורו, בין היתר, בקווי חשמל ובשדה המגנטי של כדור-הארץ.

 

המדענים התגברו על הקושי באמצעות "טריק" הלקוח מחישובים קוונטיים: אחת השיטות להגנה על מידע קוונטי מפני השפעות מגנטיות סביבתיות הוא קיבוע שני אלקטרונים באופן שבו הספינים שלהם פונים לכיוונים מנוגדים. כתוצאה מכך האינטראקציות ביניהם אינן מופרעות על-ידי הרעש המגנטי החיצוני: השפעות הסביבה מתאזנות מפני שהספינים הם בעלי עוצמה זהה, בכיוונים הפוכים – בדיוק כפי שהקפיצות של כדור הטניס מנוטרלות באמצעות הקיבוע שלו למכשיר המדידה.

מדעני המכון בנו מערכת שבה שני יונים של סטרונציום, כל אחד בעל אלקטרון חפשי אחד, קוררו כמעט לאפס המוחלט וקובעו במרחק 2 מיקרונים (מיליוניות מטר). במרחק זה, שהוא עצום במונחי העולם הקוונטי – אם האלקטרונים היו מייצרים שדה מגנטי זהה לזה של כדור-הארץ, המרחק ביניהם היה שקול לבערך פי עשרה מהמרחק לירח – האינטראקציות המגנטיות בין האלקטרונים החופשיים הן חלשות מאוד. עם זאת, מאחר והספינים שלהם הפוכים, האינטראקציות האלה אינן מושפעות מהרעש המגנטי, ואפשר למדוד אותן בדיוק מרבי. המדידות נמשכו 15 שניות – זמן רב פי עשרות אלפים מאלפיות השניות בהן הצליחו מדענים לשמר מידע קוונטי עד עתה.

 


המדידות הראו כי התגובה המגנטית ההדדית של האלקטרונים תואמת בדיוק את הצפוי משני מגנטים גדולים, בהתאם למודל הסטנדרטי – תורת החומר המקובלת כיום בפיסיקה. הקטבים הצפוניים שלהם דחו זה את זה והסתובבו סביב צירם עד שהקטבים ההפוכים שלהם התקרבו. האינטראקציות המגנטיות נחלשו ביחס לחזקה שלישית של המרחק – גם זאת בהתאם למודל הסטנדרטי.
ממצאים אלה הם בעלי חשיבות מפני שהכרת ההתנהגות של חלקיקים אלמנטריים חיונית להבנת חוקי הטבע. יתר על כן, שיטת המדידה החדשה עשויה לתרום לתחומי מחקר נוספים, כגון פיתוח שעונים אטומיים או חקר מערכות קוונטיות שאת התכונות שלהם קשה לגלות בסביבה רועשת.

 

מידע נוסף אפשר לקבל במשרד דובר מכון ויצמן למדע: 08-934-3856

 
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם