מי הזיז את האטום שלי?

מערך ניסויי שנבנה בפקולטה לפיזיקה בטכניון מדגים העברת אטומים ממקום למקום באמצעות מנהור קוונטי בין מלכודות אור. את המחקר הובילו פרופ’ יואב שגיא והדוקטורנט ינאי פלורסהיים מהמכון למצב מוצק והוא התפרסם בכתב העת היוקרתי Science Advances  

הניסוי מבוסס על מלקחיים אופטיים – טכניקה ניסויית ללכידה של אטומים, מולקולות, ואפילו תאים חיים על ידי פוטנציאל אופטי הנוצר באמצעות קרני לייזר הממוקדות לגודל מיקרוני. כיצד זה אפשרי? זה אפשרי משום שהאינטראקציה של האור עם החומר מייצרת כוח הפרופורציונאלי לעוצמת האור. זהו כוח חלש מכדי להשפיע על שגרת חיינו, אבל כאשר מדובר בחלקיקים זעירים כגון אטומים הוא חזק מספיק כדי להחזיק אותם במקומם או להזיז אותם ממקום למקום. המצאת המלקחיים האופטיים, שהפכו לכלי משמעותי מאוד בפיזיקה, זיכתה את הפיזיקאי ארתור אשקין (Arthur Ashkin) בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2018.

סריקה של יעילות העברת האטומים. הציר האופקי הוא הפרש הזמנים בין הגעת שני זוגות המלקחיים לנקודה הקרובה ביותר ביניהם, והציר האנכי הוא המרחק המינימלי. הצבע מייצג את יעילות ההעברה.

חוקרי הטכניון השתמשו בניסוי בשרשרת קווית של שלושה מלקחיים אופטיים. באמצעות שינוי המרחקים בין כל שני מלקחיים סמוכים הם שלטו באופן דינמי בקצב המנהור של אטומים ביניהם. מנהור היא תופעה ייחודית לעולם הקוונטי, שבה לחלקיקים יש סיכוי לעבור דרך מחסום פוטנציאל שבאופן קלאסי הם לא יכולים לעבור. על ידי השליטה בקצב המנהור, החוקרים הצליחו להעביר את האטומים בין המלקחיים הקיצוניים בשרשרת באופן חלק וביעילות גבוהה.

תמונת מראה צילום מהצד של תא הוואקום. בתוך התא מתרחש הניסוי. בתמונה רואים את שני החלונות (מלמעלה ומלמטה) של תא הוואקום, דרכם נכנסות ויוצאות קרני הלייזר שיוצרות את המלקחיים

בנוסף, החוקרים הראו כי למרות שהאטומים עוברים בין שני צידי השרשרת, הסיכוי למצוא אותם במלקחיים האמצעיים הוא מאד נמוך. תכונה מסקרנת זאת של סכמת ההעברה ניתנת להבנה אם נזכור כי בתורת הקוונטים חלקיק מתואר על ידי גל או חבילת גלים. בסכמה שהודגמה בניסוי, הגלים מתאבכים באופן הורס במלכודת האמצעית, ולכן אי אפשר למצוא שם את האטומים. זוהי הדגמה ראשונה לשיטת העברה זו, והחוקרים מעריכים כי היא עשויה להוות אבן דרך משמעותית בפיתוחן של פלטפורמות קוונטיות חדשות.

זום-אין דרך אותו חלון צד ומראה של שני החלונות מלמעלה ולמטה

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF), קרן פזי ומרכז הקוואנטום ע”ש הלן דילר בטכניון.

למאמר ב-Science Advances