הינך נמצא כאן

מדידה בהפרעה

01.09.2014

איור המדגים את קווי השדות המגנטיים של שני אלקטרונים המסודרים כך שהספינים שלהם מכוונים לכיוונים הפוכים

דמיינו לעצמכם כדור טניס הקופץ לגובה ולכל מיני כיוונים, בכל פעם למרחק גדול פי מיליון מקוטרו, כ-70 קילומטרים, או כ-400 מגדלי עזריאלי העומדים אחד על השני. ברור כי אין כל סיכוי למדוד את גודל הכדור תוך כדי צפייה בו במשקפת: הקפיצות העצומות יוצרות "רעש רקע" אשר מפריע למדידה. אסטרטגיה חכמה אחת יכולה לעזור – אפשר להצמיד את הכדור באופן קבוע אל מכשיר מדידה, וכך הכדור והמכשיר יקפצו ביחד, ה"רעש" ינוטרל, ואפשר יהיה למדוד את הכדור ללא כל הפרעה.
 
זה הוא בדיוק ה"טריק" בו השתמשו פיסיקאים ממכון ויצמן למדע. כפי שדוּוח 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.
 
"ידוע זה למעלה ממאה שנה כי האלקטרון אינו רק חלקיק נקודתי בעל מטען חשמלי", אומר ראש צוות המחקר, ד"ר רועי עוזרי, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. "לאלקטרון יש תכונה הקרויה ספין, סוג של כיווניות, והוא כולל שני קטבים מגנטיים הפוכים, כך שלמעשה הוא מגנט מאורך זעיר". ברגיל, כאשר מקרבים שני מגנטים מאורכים זה לזה, הקטבים הזהים שלהם דוחים זה את זה, אך כאשר המגנטים יכולים להסתובב סביב הציר באופן חופשי, הם יסתובבו עד שהקטבים ההפוכים שלהם ייצמדו. אך מה קורה במימד הננו – האם שני אלקטרונים יתנהגו בצורה זהה?
 

"הופתענו מאוד לגלות, שאף אחד לא בחן את השאלה הזאת", אומר ד"ר שלומי קוטלר, שביצע את המחקר בהיותו סטודנט במכון בהנחייתו של ד"ר עוזרי, יחד עם ד"ר ניצן אקרמן, ד"ר ניר נבון וד"ר ינון גליקמן. במהרה התברר מדוע הניסוי מעולם לא נערך – חקר הכוחות המגנטיים בין שני אלקטרונים מהווה אתגר מורכב ביותר. כאשר האלקטרונים סמוכים זה לזה, למשל בתוך אטום רגיל, פועלים עליהם כוחות הגוברים על הכוח המגנטי. כאשר האלקטרונים מרוחקים זה מזה אמנם הופך הכוח המגנטי לדומיננטי, אך במונחים אבסולוטיים עדיין מדובר בכוח חלש, והוא נעלם בתוך הרעש המגנטי הסביבתי הנובע מקווי חשמל, מציוד מעבדה, ומהשדה המגנטי של כדור-הארץ.

 
המדענים התגברו על הקושי באמצעות "טריק" הלקוח מחישובים קוונטיים, תחום מחקר השואף לבנות מחשבים אשר יאחסנו מידע ביחידות הקרויות ביטים קוונטיים. אחד המועמדים המצוינים לביטים כאלה הוא הספין של האלקטרונים. בהתאם לחוקי המכניקה הקוונטית, הביט הקוונטי יכול להתקיים בשני מצבים בעת ובעונה אחת – אפס ואחד. הודות לתכונה מופלאה זו יהיו מחשבים קוונטיים, אם אכן ייבנו יום אחד, בעלי עוצמה אדירה. אולם, תכונה זו גם הופכת את המידע הקוונטי ללא יציב, מפני שהספין של האלקטרונים רגיש מאוד להשפעות מגנטיות סביבתיות.
 
אחד ה"טריקים" שבעזרתם מגינים על המידע הקוונטי מפני השפעות כאלה הוא קיבוע שני אלקטרונים כך שהספינים שלהם מכוּונים לכיוונים מנוגדים, וכתוצאה מכך, הרעש המגנטי החיצוני אינו מפריע לאינטראקציות ביניהם. 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 השתמשו בשיטה זו כדי למדוד אינטראקציות מגנטיות בין אלקטרונים. הם בנו מערכת שבה שני יונים של סטרונציום, כל אחד בעל אלקטרון חופשי אחד, קוררו כמעט לאפס המוחלט, וקובעו במרחק 2 מיקרונים (מיליוניות מטר) זה מזה. במרחק זה, שהוא עצום במונחי העולם הקוונטי (אם האלקטרונים היו מייצרים שדה מגנטי זהה לזה של כדור-הארץ, המרחק ביניהם היה שקול בערך לפי עשרה מהמרחק לירח), האינטראקציות המגנטיות בין האלקטרונים החופשיים הן חלשות מאוד. עם זאת, מאחר שהספינים 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 – כלומר 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.
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם