בעזרת אבן אודם ושני לייזרים הואטה מהירות האור עד ל-200 קמ"ש

האטת האור בשיטה החדשה עשויה להקל על ההתמודדות עם אותות המגיעים בו בזמן מכמה סיבים

אוריאל בריזון

סיבים אופטיים

מדענים מאוניברסיטת רוצ'סטר בארה"ב הצליחו להאט את התקדמותה של אלומת אור למהירות של כ-200 קמ"ש באמצעים פשוטים ביותר. פריצת דרך זו היא נדבך נוסף ביכולתם של חוקרים לשלוט בתנועתו של אור והיא עשויה לסלול את דרכו של "האור האטי", כפי שהוא מכונה, מהמחקר במעבדה אל היישום בתחום התקשורת באמצעות סיבים אופטיים.

הטכניקה הניסיונית, שפותחה באוניברסיטת רוצ'סטר, מאפשרת להאט את מהירותה של אלומת אור פי חמישה מיליון. המערך הניסיוני שבו השתמשה הקבוצה פשוט בהרבה מהמתקנים המסורבלים בהם השתמשו בעבר כדי להאט את תנועת האור; גודלם של מתקנים אלה היה כגודלו של חדר. יכולותיו של המתקן החדש אינן נופלות מאלה של קודמיו, והוא תואר על ידי מפתחיו כ"פשוט ליישום עד כדי גיחוך".

המהירות שבה מתפשטות קרני האור בריק היא 300 אלף קילומטר לשנייה, או כ-1.1 מיליארד קילומטר לשעה, ואלומת אור יכולה להקיף את כדור הארץ יותר משבע פעמים בשנייה אחת. מהירות האור היא המגבלה העליונה לתנועתם של כל העצמים ביקום. אלברט איינשטיין קבע, בנסחו את תורת היחסות, כי אי אפשר להאיץ שום גורם חומרי למהירות האור. אך כפי שידוע למדע זה כ-300 שנה, אפשר בהחלט להאט את התקדמותו של האור עצמו.
האור מואט כאשר הוא עובר בתווך שקוף, כמו מים או זכוכית. עובדה זו מוכרת לנו מחיי היום יום כתופעת שבירת האור: כשאנחנו מסתכלים על כוס מים שבתוכה יש קש, הקש נראה לנו שבור. הסיבה לכך היא שבמעברו של האור מהמים שבכוס, דרך הזכוכית שממנה היא עשויה, אל האוויר – משתנה זווית התקדמותו. שינוי הזווית גורם לנו לראות את המשכו של הקש במקום שונה ממיקומו האמיתי, וכתוצאה מכך הוא נראה שבור. השינוי בזווית האור הוא תוצאה של שינוי מהירותו כאשר הוא עובר מהמים אל האוויר. מהירותו של האור בזכוכית ובמים אטית פי אחד וחצי בערך ממהירות תנועתו באוויר.

השאלות שהמדענים מבקשים לבדוק הן באיזו מידה אפשר להאט את מהירותו של האור, מה אפשר ללמוד מכך על האור ועל התנהגותו, ואלו שימושים תעשייתיים אפשר להפיק מ"אור אטי", כלומר אור שמהירותו נמוכה במיוחד. העברת האור בתווך המורכב מחומרים שונים גורמת אכן להאטה, אך זו אינה גדולה במיוחד, וכדי להאט את האור במידה משמעותית נדרשות שיטות מתקדמות יותר. מדענים גילו כי שימוש באפקטים של המכניקה הקוונטית מאפשר לבנות מתקנים היכולים להאט אור עד כדי מהירות נמוכה מזו של מכונית.

בניסיונות ליצור אור אטי נעשה עד כה שימוש במתקנים המבוססים על אפקט המכונה עיבוי בוזה-איינשטיין. זהו מצב צבירה ייחודי המתקיים בטמפרטורות נמוכות מאוד, שבהן אטומים של גז פועלים בתיאום, כאילו היו אטום אחד גדול. קרן לייזר שהועברה דרך גז שקורר עד למצב של עיבוי הואטה עד כדי 60 קמ"ש בלבד, אלא שהצורך בשמירת הגז בטמפרטורה נמוכה מאוד (כ-270 מעלות צלסיוס מתחת לאפס) גרם לכך שהמתקן שנדרש לביצוע ההאטה היה עצום בגודלו ומסורבל להפעלה. מתקן שמילא בגודלו חדר ממוצע הצליח לייצר כמות של גז מעובה שגודלה כגודל ראש סיכה בלבד.

"אם הדרך הישנה היתה הדרך הקשה ביותר להאט אלומת אור, זו שגילינו כעת היא הפשוטה ביותר", אמר פרופ' רוברט בויד, שקבוצת המחקר שלו פיתחה את המתקן החדש. "כעת אנו יכולים להאט אור באותה מידה באמצעות מתקן שגודלו אינו עולה על מחשב ביתי".

החוקרים מאוניברסיטת רוצ'סטר השתמשו באפקט קוונטי המכונה "תנודות אוכלוסייה מתואמות" Oscillations(Coherent Population). בלבו של המתקן שבנו מצוי גביש של אבן אודם (Ruby). אל הגביש מכוונות שתי קרני לייזר, שהתדרים האופטיים שלהן (כלומר צבעיהן) שונים במקצת זה מזה. הסיבה לצבען האדום של אבני האודם היא שהן בולעות את רוב האור הנראה העובר דרכן, בתחומי התדר המתאימים לצבעים כחול וירוק. כדי ליצור את אפקט ההאטה, מאיר הלייזר הראשון את אבן האודם באור ירוק חזק, הגורם לעירור חלקי של יוני הכרום המצויים בה. כתוצאה מעירור חזק זה קטנה, באופן זמני, יכולתם של יוני הכרום, המקנים לאבן את צבעה, לבלוע את האור.

בשלב הבא מופעל הלייזר השני, שהוא כאמור בעל תדר שונה במקצת. ההפרש הקטן בין תדרי הלייזרים מייצר בתוך אבן האודם אפקט של פעימה – אלה הן "תנודות האוכלוסייה המתואמות". הדבר דומה למפגש בין שני גלים על פניו של אגם – בנקודות מסוימות מעצימים שני הגלים זה את זה ונוצרת הפרעה חזקה יותר. יוני הכרום בתוך אבן האודם מגיבים לתנודות המועצמות הללו ומתנודדים בהתאמה, ואחת התוצאות המעניינות של המצב שנוצר היא שאור הלייזר השני מצליח כעת לעבור דרך אבן האודם למרות צבעו הירוק, אך מהירות תנועתו מואטת בצורה משמעותית: פי 5.3 מיליון.

בפועל, מציינים החוקרים, נוצר כתוצאה מהעירור החזק מעין "חור" בספקטרום הבליעה של אבן האודם. לדברי פיסיקאים, את האפקט אפשר להבין גם כ"כליאה" זמנית של האור בתוך הגביש ושמירת האנרגיה שלו בתנודות האוכלוסייה המתואמות.

פרופ' בויד מאמין כי האפקט החדש עשוי להוביל להתקדמות בתחום הטלקומוניקציה. בתקשורת מודרנית נעשה שימוש נרחב בסיבים אופטיים. הסיבים מאפשרים העברת מידע על ידי אלומות של אור והם יעילים ומהירים הרבה יותר מכבלי הנחושת האלקטרוניים הישנים. אחת הבעיות בתחום התקשורת האופטית היא כיצד להתמודד עם אותות המגיעים בו בזמן מכמה סיבים אל מרכזיות הניתוב. ייתכן שמתקן המבוסס על האפקט החדש יקנה לנתבי התקשורת הללו את היכולת להאט חלק מאלומות האור לזמן קצר, וכך יאפשר לטפל באופן מסודר בכל הנתונים המגיעים אליהם. אפשר לחשוב, לשם המחשה, על שני כבישים המשתלבים לכביש מהיר אחד, וכדי להקל על השתלבות המכוניות מווסתת מהירותן באחד מהנתיבים.

עם זאת, לשיטה החדשה יש כמה מגבלות. הבולטת בהן היא העובדה שהמתקן מאפשר האטה של אור המופעל בפולסים ארוכים יחסית, בשונה מן השיטות הקודמות שבהן הואט אור בפולסים קצרים, הדומים יותר לאלה המשמשים בטכנולוגיית הסיבים האופטיים. פרופ' בויד הביע תקווה כי שיפורים שיוכנסו במתקן שבנתה קבוצתו יאפשרו להתגבר על מגבלה זו.