מדענים “סחטו” קרן אור – פוטון אחר פוטון

מדענים באוניברסיטת קיימברידג’ בבריטניה הצליחו למדוד אפקט משונה בפיזיקת הקוונטים, לפיו חלקיקים של אור אמורים “להיסחט” – הישג שספרי הלימוד בתחום כתבו שהוא חסר סיכוי

צוות מדענים הצליח למדוד כיצד פוטונים – חלקיקי האור “נסחטים” בניסוי שבספרי הלימוד נכתב כי בלתי אפשרי למדוד את התוצאה בניסוי.

סחיטה היא תופעה מוזרה בפיזיקת הקוונטים בה משתמשים בצורה מסוימת של אור הסובלת מפחות “רעשי רקע” ויכול להיות לה שימוש פוטנציאלי בטכנולוגיות המתוכננות לאתר אותות חלשים – כדוגמת גלי הכבידה.

הגישה הסטנדרטית לסחיטת אור היא לירות קרן לייזר חזקה על חומר, בדרך כלל גביש לא לינארי, והמפגש ביניהם מייצר את האפקט המבוקש. במשך למעלה מ-30 שנה עלו תיאוריות לפיה קיימת טכניקה אפשרית נוספת. שיטה זו מערבת עירור אטום בודד באמצעות כמות קטנה מאוד של אור. התיאוריה גורסת כי האור שיתפזר מהפגיעה באטום הזה אמור להתעוות בשיטה המכונה סחיטה בתהודה פלורוסנטית (squeezing of resonance fluorescence, ויקיפדיה –  הפקת אור מאטום או מולקולה באמצעות הפצצת חלקיקים, שבה תדר האור הנפלט זהה לתדר האור הנספג באטום או במולקולה).

אף על פי שהתיאוריה נוסחה עוד בשנת 1981, הניסוי שנועד לצפייה בתופעה היה קשה לביצוע עד כדי כך שלפחות באחד מספרי הלימוד החשובים של הפיזיקה מסיק המחבר בצער “נראה חסר סיכוי למדוד את התופעה גם אם קיומה הוכח עד כה”.

במאמר שפורסם בכתב העת נייצ’ר דיווחו הפיזיקאים כי הצליחו להדגים סחיטה של חלקיקי אור בודדים – פוטונים. הם השתמשו בניסוי באטום שהופק באופן מלאכותי – נקודה קוונטית מחומר מוליך למחצה (Semiconductor Quantum Dot). הודות לתכונות האופטיות המשופרות של מערכת זו, והטכניקה שבה השתמשו לבצע את המשימות, הם הצליחו לצפות באור כאשר הוא התפזר ולהוכיח כי הוא ניסחט.

פרופסור מטה אטאטור (Mete Atature) מקולג’ סנט ג’ון באוניברסיטת קיימברידג’ בבריטניה שהוביל את המחקר אמר: “זהו אחד המקרים שבהם שאלה בסיסית שהתיאוריה העלתה ואשר אחרי שנים של ניסויים, אנשים התחילו לפקפק ביכולת לצפות בה – נענית על אף הכול .”

“הצלחנו בכך בזכות העובדה שכיום ישנם ברשותנו אטומים מלאכותיים בעלי תכונות אופטיות העולות על אלו של האטומים הטבעיים. משמעות הדבר היא שיכולנו להגיע לתנאים הנחוצים לצפייה בתכונה בסיסית זו של הפוטונים ולהוכיח כי התופעה המוזרה של הסחיטה אכן קיימת ברמת הפוטון הבודד. זו תופעה מוזרה מאוד המנוגדת לחושינו ולציפיות שלנו על אודות תפקידם של הפוטונים.”
הסבר מדוע מתרחשת התופעה דורש ידע מורכב בפיזיקת הקוונטים. בעקרון, זו תוצאה של עקרון אי הוודאות של הייזנברג. לפי עקרון זה, בכל סיטואציה לחלקיק יש שתי תכונות, אך רק אחת מהן ניתנת למדידה בעוד השנייה נמצאת באי ודאות.
בעולם הפיזיקה הקלאסית, הכללים הללו אינם חלים. אם עצם נמצא בתנועה אנו יכולים למדוד הן את מיקומו והן את התנע שלו וכך לדעת לאן הוא נע וכמה זמן ייקח לו להגיע לשם. זוג תכונות אלה – מיקום ותנע קשורים. בעולם המוזר של פיזיקת הקוונטים המצב שונה. הייזנברג קבע כי רק חלק אחד של זוג התכונות ניתן למדידה והאחר חייב להישאר באי וודאות.
בניסוי בקיימברידג’ השתמשו החוקרים בכלל זה לטובתם כאשר יצרו חלופה בין מה שאפשר למדוד ומה לא. באמצעות פיזור אור הלייזר החיוור מהנקודה הקוונטית, הרעש של השדה האלקטרומגנטי פחת לרמה נמוכה ומדויקת, מתחת לקו הבסיס של התנודות הקוונטיות. ההשתקה הזו של רעש הרקע האלקטרומגנטי נעשתה על חשבון הפיכת חלקים אחרים של השדה האלקטרומגנטי לניתנים פחות למדידה, ומשמעות הדבר שנהיה בלתי אפשרי ליצור רמת רעש נמוכה מאפס בלי להפר את עקרון אי הוודאות של הייזנברג ומכאן גם את חוקי פיזיקת הקוונטים.
רישום אי הוודאויות של התנודות בשדה האלקטרומגנטי על גרף יוצר צורה שבה אי הוודאות בצד אחד פוחתת בעוד בשאר המקומות היא מורחבת. הדבר יוצר צורה דחוסה למראה, ומכאן המונח “לסחוט אור”.
אטאטור הוסיף כי הנקודה העיקרית במחקר הייתה פשוט לנסות למדוד את התכונה הזו של פוטון בודד, משום שהיא לא נראתה עד כה. “זה בדיוק כמו שרצינו לראות איך פלוטו נראה מקרוב”. לאף אחד מהדברים אין יישומים מידיים, אך אנו יודעים יותר מאשר ידענו קודם. אנו עושים זאת משום שאנו סקרנים ואנו רוצים לגלות דברים חדשים. זו מהות המדע.”

למאמר המדעי

להודעה של החוקרים

עוד בנושא באתר הידען:

• ראיון עם חתן פרס נובל לכימיה לשנת 2013 פרופ’ אריה ורשל על החיבור בין פיזיקה קוונטית לכימיה
• פרס נובל לפיזיקה לפורצי דרך בתחום האופטיקה הקוונטית: סרג’ הרוש ודייויד ויינלאנד
• שעון אחד בשני מקומות בו זמנית