בהובלת הדוקטורנט מאמון ספדי ופרופסור ירון ברומברג מהאוניברסיטה העברית בוצע ניסוי המדגים לראשונה יתרון מהותי באפיון חומרים בעזרת פוטונים שזורים על פני אור קלאסי. הניסוי שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature Physics מדד את האור מפוטונים שזורים שהתפזרו אחורנית ממפזר שאיננו סטטי. תוצאות הניסוי הראו שפוטונים שזורים מקטינים את שגיאת המדידה פי ארבע מאור שאינו שזור, ובכך שוברים את חסם קרמר-ראו לאור קלאסי. לניסוי השלכות יישומיות רבות באפיון חומרים וברקמות ביולוגיות לצרכים רפואיים.
בעידן המודרני, האנושות השכילה לעשות שימוש רחב באור ובמאפייניו. מלבד היכולת להאיר את דרכנו בחושך, בתנאים הנכונים האור יכול לחתוך מתכות, לתקן את הראייה, לרפא את העור, לשדר את הסדרה האהובה בנטפליקס, לשלוח אימוג’י לחברים ואף לאפיין פיצוצי סופר נובה בחלל ואטמוספירות של כוכבי לכת מרוחקים. על אף שהאור הוא אחד מהאובייקטים הנחקרים במדע, גילויים חדשים ממשיכים להיחשף מידי יום ברחבי העולם. חקר האור זינק משמעותית עם פיתוח מכניקת הקוונטים שהעניקה לאור תכונות חלקיקיות. בשנים האחרונות תגליות מדעיות תרגומו לטכנולוגיות יישומיות המנצלות תכונות קוונטיות שטרם נעשו בהם שימוש. אחת מהן היא שזירה קוונטית, שעליה זכו שלושת חתני פרס נובל בפיזיקה לשנת 2022. זו תופעה שאין לה מקבילה קלאסית ולכן היא איננה אינטואיטיבית. התופעה כל כך חריגה שאף הצליחה לבלבל את אלברט איינשטיין, אבי תורת היחסות וממפתחי מכניקת הקוונטים. בכלליות, שזירה קוונטית קושרת את גורלם של חלקיקים, כך שמדידה בודדת על אחד מהם, מקבעת את תכונותיהן השזורות של שאר החלקיקים במיידית, גם אם הם רחוקים שנות אור אחד מהשני. אחת מהפרשנויות לשזירה קוונטית מניחה שהחלקיקים השזורים מתנהגים כגוף אחד ושהטבע אינו לוקאלי. בלוקאליות הכוונה שהשפעת גופים אחד על השני נעה במהירות שאיננה גדולה ממהירות האור ואינה מתרחשת במיידית.
בעשורים האחרונים חברות הייטק, קטנות כגדולות, מנצלות את התכונות המוזרות של שזירה קוונטית בכדי לפתח טכנולוגיות אקזוטיות כמו מחשב קוונטי, הצפנה קוונטית, רדאר קוונטי ועוד. כעת, חוקרים מהאוניברסיטה העברית, בהובלת פרופסור ירון ברומברג והדוקטורנט מאמון ספדי מצאו שימוש נוסף לשזירה קוונטית של חלקיקי אור (פוטונים). במאמר שפרסמו בכתב העת היוקרתי Nature Physics, החוקרים הראו שבתהליך האופטי שנקרא פיזור אחורי קוהרנטי, הפוטונים השזורים מעניקים תוצאה מדויקת יותר למהלך החופשי של האור במפזר.
על פיזור אחורי קוהרנטי בעזרת אור קלאסי ופוטונים שזורים
כאשר אור חודר לתווך נוזלי או גזי, הוא מתפזר כתוצאה מהתנגשות בחלקיקי החומר. לרוב האור יתקדם אל תוך התווך, בזוויות משתנות, אך לעיתים האור גם יכול לחזור לאחור. מסתבר שעוצמת ההארה הגבוהה ביותר מאפקט זה, המכונה פיזור אחורי קוהרנטי, נצפית בזווית אפס, כלומר בחזרה ישירה אל מקור האור. במחקר של ספדי וברומברג, החוקרים הראו שתכונה זו נשמרת גם עם פוטונים שזורים. בכדי להוכיח טענה זו, החוקרים נאלצו להתגבר על אתגרים טכניים רבים, ובראשם השימוש במפזר דינאמי (כלומר מפזר שמורכב מחלקיקים הנעים במרחב, שאינם סטאטיים) שהורס בקלות את השזירה של הפוטונים.
החוקרים הפיקו תוצאה משמעותית נוספת לאחר שחקרו את פרופיל הפיזור האחורי של האור, בזכות העובדה שהוא משתנה כתלות בסוג החומר ומאפייניו. פיזיקאים מכמתים את עוצמת הפיזור של האור בעזרת המהלך החופשי שלו. פרמטר זה מכמת את המרחק הממוצע שבו האור נע בחופשיות עד להתנגשות בחלקיק כלשהו. ככל שהחומר צפוף יותר, או ככל שחלקיק החומר גדולים יותר, המהלך החופשי של הפוטון קצר יותר.
מסתבר שאת המהלך החופשי ניתן לאפיין באמצעות עוצמת ההארה שפוזרה לאחור בזוויות שונות. במאמרם של ספדי וברומברג, החוקרים הראו שניתן להסיק בדיוק רב יותר את המהלך החופשי של האור מעוצמת הפיזור אחורי קוהרנטי של פוטונים שזורים, לעומת אור המתנהג קלאסית לחלוטין. דיוק המדידה היה פי ארבע מניסויים קודמים שבוצעו בעזרת אור קלאסי, ובכך שברו את חסם קרמר-ראו לאור קלאסי, המתאר עד כמה מדויק ניתן לאמוד גדלים פיזיקליים. חסם זה מראה שרזולוציה גבוהה מופקת מאור בעל אורך גל קטן. לפיכך, החוקרים משערים שהחסם נשבר משום שפוטונים שזורים מתנהגים כמו אור עם מחצית אורך הגל הקלאסי שלהם.
למחקר של ספדי וברומברג השלכות יישומיות רבות באפיון רמת העכירות של חומרים ורקמות ביולוגיות. המהלך החופשי רגיש למגוון רחב של מאפיינים, כמו שינויים בטמפרטורה, בריכוז החומרים ובתנאי סטרס חיצוניים. בעזרת המהלך החופשי של האור ניתן לאבחן רקמות בריאות וכאלו שאינן מתפקדות כראוי. בזכות שיפור הדיוק, ניתן לבצע בדיקה אמינה יותר ולהימנע מאבחנות שגויות.
הדוקטורנט מאמון ספדי מוסיף: “התופעה הקלאסית של פיזור אחורי קוהרנטי מתבססת על אור קוהרנטי שמאיר תווך מפזר בכיוון מסויים. למרות שהתופעה נחקרה במשך עשורים עם תווכים שונים, מעטים היו אלו שהסתכלו על מה קורה כאשר מחליפים את המקור ולא את התווך. העובדה שהתופעה נצפית גם עם פוטונים שזורים היא מפתיעה למדיי, מכיוון שלמקור אור כזה אין כיווניות מוגדרת. זוגות הפוטונים מאירים את התווך בהרבה מאוד זוויות שונות.”
פרופסור ברומברג ציין בפניינו שהפרויקט החל מסקרנותם של החוקרים להבין את התנהגות האור ותכונותיו הקוונטיות – “התחלנו לעבוד על הפרויקט הזה פשוט מתוך סקרנות לגלות מה קורה לפוטונים שזורים כשהם מתפזרים בתוך חמורים עכורים. לשמחתנו, תוך כדי עבודה גילינו שלא רק שהשזירה מובילה למצבים קוונטים מעניינים של הפוטונים המתפזרים, היא אף יכולה לשפר את דיוק המדידה של תכונות החומר. בתחילה זה הפתיע אותנו כי ציפינו שהפיזורים יטשטשו את היתרונות הקוונטים של מצבים שזורים, אך בעזרת השותפים שלנו ממכון לנז׳בן בפריז ומהאוניברסיטה של דרום קליפורניה, הצלחנו להראות שזה נובע מהתכונות הסטטיסטיות הייחודיות לפוטונים שזורים.״
לקריאת המאמר לחצו כאן
יש לכם שאלה או נושא שתרצו שאכתוב עליו? פנו אליי לכתובת [email protected]
