תצפית פיזיקלית בטכניון שופכת אור חדש על טבעם הקוונטי של פוטונים

תמונה קבוצתית (מימין לשמאל) : רפאל דהן, שי צסס, פרופ’ גיא ברטל, יובל אדיב ופרופ’ עדו קמינר

קרינת צ’רנקוב היא תופעה פיזיקלית ייחודית, שבמשך שנים רבות שימשה ליישומים בדימות רפואי, איתור וזיהוי חלקיקים, ומאיצי אלקטרונים מבוססי לייזר. פריצת הדרך של חוקרי הטכניון מחברת את התופעה הזו ליישומים עתידיים בתחומי המחשוב הקוונטי הפוטוני, ומקורות אור קוונטיים מבוססי אלקטרונים חופשיים.

את המחקר שהתפרסם הערב בכתב העת Physical Review X הובילו הדוקטורנטים יובל אדיב ושי צסס יחד עם Hao Hu מאוניברסיטת נניאנג שבסינגפור (היום פרופסור באוניברסיטת נאנג’ינג בסין). את המחקר הנחו הפרופסורים עדו קמינר וגיא ברטל מהטכניון בשיתוף עמיתים מסין – הפרופסורים Hongsheng Chen ו-Xiao Lin מאוניברסיטת Zhejiang.

האינטראקציה בין אלקטרונים חופשיים לאור עומדת בבסיסן של שלל תופעות קרינה המוכרות לנו כיום והיא הובילה למספר רב של יישומים במדע ובתעשייה. אחד האפקטים המפורסמים ביותר הנמנה תחת משפחה זו של אינטראקציות הוא קרינת צ’רנקוב – קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת כשחלקיק טעון, דוגמת אלקטרון, עובר בתווך במהירות הגדולה ממהירות האור באותו תווך. זוהי המקבילה האופטית לבום על-קולי הנוצר כאשר מטוסים טסים מעל מהירות הקול, ועל כן קרינת צ’רנקוב מכונה לעיתים “בום על-אורי”. תופעה זו התגלתה בשנת 1934 וזיכתה את מגליה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1958.

שי צסס (משמאל) ויובל אדיב

מאז גילויה ועד היום, משך יותר מ-80 שנות מחקר, הוביל העיסוק בקרינת צ’רנקוב לפיתוח שלל יישומים, בעיקר עבור גלאים מיוחדים לזיהוי חלקיקים ועבור דימות רפואי. אולם, על אף העיסוק האינטנסיבי בתופעה, מרבית המחקר התיאורטי וכן כל ההדגמות הניסוייות, עסקו בקרינת צ’רנקוב במרחב תלת-ממדי ובתיאורה באמצעות התורה האלקטרומגנטית הקלאסית. כעת, מציגים חוקרי הטכניון תצפית ניסויית ראשונה בקרינת צ’רנקוב במרחב דו-ממדי ומראים שבמרחב זה מתנהגת הקרינה באופן שונה לגמרי – לראשונה התיאור הקוונטי של האור הוא הכרחי כדי לתאר את תוצאות הניסוי.

החוקרים הינדסו מבנה שכבות מיוחד המאפשר אינטראקציה בין אלקטרונים חופשיים לגלי אור המתקדמים על גבי משטח. ההנדסה החכמה של ההתקן אפשרה את המדידה הראשונה של קרינת צ’רנקוב דו-ממדית. המימדיות הנמוכה של האפקט היא זו שאפשרה את ההצצה אל תוך האופי הקוונטי של תהליך פליטת הקרינה מאלקטרונים: מניית מספר הפוטונים (“חלקיקי אור” קוונטיים) הנפלטים מאלקטרון בודד ועדות עקיפה לשזירות בין אלקטרון יחיד לקרינה שהוא פולט. שזירות בהקשר זה משמעותה “קשר” בין התכונות של האלקטרון לתכונות האור הנפלט באופן שבו מדידת האחד מספקת מידע על אודות השני. מעניין לציין שפרס הנובל האחרון לפיזיקה ניתן בדיוק עכשיו על ביצוע סדרת ניסויים המדגימים את אפקט השזירות הקוונטית (במערכות שונות מאלו שהודגמו במחקר זה).

אילוסטרציה של הניסוי שבוצע בטכניון: אלקטרון חופשי בודד נע מעל מבנה השכבות המיוחד שהינדסו החוקרים, מרחק עשרות ננומטרים בודדים ממנו. במהלך התנועה האלקטרון פולט מנות בדידות של קרינה המכונות “פוטונים”. בין האלקטרון לפוטונים שהוא פלט נוצר קשר של “שזירות קוונטית”. Credit: Ella Maru Studio))

לדברי הדוקטורנט יובל אדיב: “תוצאת המחקר שהפתיעה אותנו יותר מכל נוגעת ליעילות של פליטת הקרינה מאלקטרונים בניסוי. בניסויים המתקדמים ביותר שקדמו למחקר זה ועסקו בקרינת אור מאלקטרונים הושג מצב שבו בקירוב רק אלקטרון אחד למאה פלט קרינה, כלומר התהליך היה לא יעיל. בניסוי שלנו הצלחנו להגיע למצב שבו כל אלקטרון פולט קרינה, כלומר שיפור של יותר משני סדרי גודל ביעילות האינטראקציה. התוצאה הזו חשובה ביותר לקידום פיתוחים עכשוויים של מקורות קרינה יעילים מבוססי אלקטרונים”.

לדברי פרופ’ קמינר, “קרינה הנפלטת מאלקטרונים היא תופעה “ישנה” הנחקרת יותר מ-100 שנה וכבר מזמן השתלבה בטכנולוגיה, כמו למשל המיקרו במטבח הביתי. במשך שנים רבות היה נראה שכבר גילינו כל מה שיש לגלות לגבי הקרינה מאלקטרונים, וכן התקבעה החשיבה שהקרינה הזו מתוארת במלואה על ידי פיזיקה קלאסית. בניגוד מוחלט לחשיבה הזו, המערך הניסויי שבנינו מאפשר לחשוף את האופי הקוונטי של הקרינה הנפלטת מאלקטרונים. הניסוי החדש שהתפרסם עכשיו חוקר את האופי הקוונטי-פוטוני של קרינה מאלקטרונים. הניסוי הוא חלק משינוי הפרדיגמה לגבי האופן שבו אנו מבינים את הקרינה הנפלטת מאלקטרונים, ובאופן יותר כללי הקשר בין אלקטרונים לקרינה שהם פולטים. למשל, אנחנו מבינים עכשיו שיש שזירה קוונטית בין האלקטרון לקרינה שהוא פולט. זה מפתיע ומרגש לראות סימנים לתופעה הזו בניסוי”.

לדברי הדוקטורנט שי צסס: “בניסוי החדש של יובל אדיב אילצנו את האלקטרונים לנוע בצמוד למשטח פוטוני-פלזמוני מיוחד שתכננתי, לפי טכניקה שפותחה במעבדה של פרופ’ ברטל. מהירות האלקטרון כוונה במדויק ליצירת צימוד חזק, העולה בעוצמתו על עוצמות הצימוד המתקבלות בסיטואציות רגילות, שבהן הצימוד הוא לקרינה במרחב תלת-ממדי. בלב התהליך אנחנו רואים את האופי הקוונטי של פליטת הקרינה הספונטנית, המתקבלת בחבילות אנרגיה בדידות של פוטונים. בדרך זו הניסוי שופך אור חדש על טבעם הקוונטי של פוטונים.”

למאמר בכתב העת Physical Review X לחצו כאן