המיליארדית של המיליארדית

אטו הוא מיליארדית הננו, שהוא בעצמו מיליארדית. צוות אוסטרי הצליח למדוד זמן בסדרי גודל של אטו-שניות, ואילו צוות אמריקאי מדד משקל הקטן מאטו-גרם אחד. כשיהיו לכך יישומים, נעבור מעידן הננו-טכנולוגיה לעידן האטו-טכנולוגיה

אוריאל בריזון , הארץ

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/attosec230304.html

רבות מדובר בשנים האחרונות על ננו-טכנולוגיה ועל היתרונות הטמונים בגדלים הקטנים פי מיליארד מאלו המוכרים לנו ביום-יום. ובכן, כדאי להתרגל למונח חדש: אטו-טכנולוגיה. האטו (Atto) הוא חלק המיליארד של הננו. אם, למשל, ננו-שנייה היא חלק המיליארד של שנייה אחת, אטו-שנייה היא חלק המיליארד של הננו-שנייה. האטו הוא איפוא הננו של הננו.

מדענים אוסטרים הצליחו לראשונה למדוד פרקי זמן בסדר גודל של אטו-שניות. הניסוי מהווה התקדמות בטכנולוגיה, שעשויה לשמש לבניית שעונים אטומיים עתידיים בעלי דיוק רב בהרבה מהאפשרי כיום. בארה”ב הצליחו מדענים למדוד משקל הקטן מאטו-גרם אחד. המדידה בוצעה על ידי מתקן, שיוכל לשמש בעתיד כדי להבחין בין זנים שונים של וירוסים על פי משקלם.

ננו-שנייה היא פרק זמן כה קצר, עד כי אין באפשרותנו לדמיין אותו. קרן אור נעה במהירות של 300 אלף קילומטר בשנייה ומסוגלת להקיף את כדור הארץ יותר משבע פעמים בשנייה אחת. לשם השוואה, במשך ננו-שנייה תנוע קרן האור שלושים סנטימטרים בלבד. באטו-שנייה, הקצרה פי מיליארד, קרן האור תצלח את קוטרם של כמה אטומים בלבד בשנייה. כדי לנסות להבין עד כמה קטן הוא אטו-גרם, אפשר לחשוב על האנלוגיה הבאה: אם אטו-גרם אחד היה מטר מעוקב של מים, אז גרם אחד היה שקול לכל האוקיינוסים וכל הימים על פני כדור הארץ.

צוות מחקר מהאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, בראשות ד”ר פרנק קראוס, ביצע ניסוי במטרה לבחון את מסלוליהם של אלקטרונים סביב גרעין האטום. בניסוי נעשה שימוש בפולסים קצובים של אור אולטרה-סגול, כדי לגרום לפיזור של האלקטרונים. מערך של חיישנים רגישים מדד את התנע של האלקטרונים, שהתפזרו תחת השפעת האור. היות שתנע הוא מכפלה של מהירות ומאסה, ושהמאסה של כל האלקטרונים שווה, אפשר היה לחשב את מהירויותיהם השונות של אלקטרונים בודדים.

הניסוי השיג את יעדו ואיפשר בחינה של מסלולי האלקטרונים; אך כתוצר לוואי נקבע בניסוי גם שיא חדש בדיוק של מדידת זמנים: הנתונים של האלקטרונים חושבו עד דיוק של מאה אטו-שניות. פרטי הניסוי פורסמו לפני כמה שבועות במאמר בכתב העת “Nature”. בראיון לאתר האינטרנט של כתב העת ציין ד”ר קראוס, כי צוותו פועל כעת כדי לשכלל את השיטה ולנסות למדוד אירועים בפרקי זמן של עשר אטו-שניות בלבד. בנוסף ליישומים אפשריים במדידת זמן מציינים החוקרים כי היכולת לבחון פעולות של אלקטרונים בפרקי זמן של אטו-שניות עשויה להוביל להבנה טובה יותר של תופעת העל-מוליכות (התנגדות אפסית לזרם).

באופן מעניין נשבר גבול ה”אטו” בתחום אחר לחלוטין בערך אותו זמן. צוות מדענים מאוניברסיטת קורנל בארה”ב, בראשות ד”ר הרולד קרייגהד, בנה מתקן מיקרוסקופי המתפקד כמאזניים. המתקן מאפשר למדוד משקלים הקטנים מאטו-גרם אחד. המדענים השתמשו בשיטות ייצור הדומות לאלו המשמשות את תעשיית המחשבים. באמצעות קרני אלקטרונים עוצבה זרוע צרה מגבישי סיליקון. בדומה למאזניים רגילים מתבצעת המדידה על ידי הצבת הגוף הנמדד בקצה הזרוע. קרן לייזר מודדת את השינוי בתנועת הזרוע ומאפשרת חישוב של המשקל המונח בקצה. בבדיקות שנערכו למתקן נמדד בדיוק רב משקלו של פירור זהב – 39 מאיות של אטו-גרם (כעשרת אלפים אטומים של זהב בלבד). המתקן יאפשר את מדידת משקלם של גופים מיקרוסקופיים כגון וירוסים. היכולת למדוד משקל של גופים ביולוגיים כה קטנים תאפשר סיווג וזיהוי טובים יותר מבעבר. פרטי הניסוי יופיעו בקרוב בכתב העת “Journal of Applied Physics”.

על פי מכניקת הקוואנטים, התיאוריה הפיסיקלית המתארת את התנהגותם של חלקיקים זעירים, לא ניתן למדוד במדויק גדלים מסוימים בלי לפגוע בדיוק מדידתם של גדלים אחרים. צמדים כאלה מכונים “גדלים צמודים” (למשל, תנע ומיקום, אנרגיה וזמן). העיקרון הזה מכונה עקרון האי-ודאות של הייזנברג, על שם המדען הגרמני שניסח אותו ב-1927. העיקרון נוגד את האינטואיציה שלנו, אך הוא נובע ישירות ממשוואות המכניקה הקוואנטית, שבניגוד לפיסיקה הקלאסית אינן מבוססות על גדלים מוחלטים אלא על התפלגויות סטטיסטיות.

בשל עקרון האי-ודאות קיימים קשיים מיוחדים במדידות של גדלים קטנים מאוד. מדידות כה מדויקות מציבות אתגר כשלעצמן, אך העובדה שיש לקחת בחשבון אי-ודאות לגבי הגדלים הצמודים בכל ניסוי מערימה קשיים נוספים. ככל שהגודל הנמדד קטן יותר, נדרשות שיטות מורכבות יותר כדי לבצע את המדידה. הקבוצה האוסטרית הצליחה להגיע לתוצאות המדויקות על ידי תיאום קפדני בין קרני האור שפיזרו את האלקטרונים לבין החיישנים; הקבוצה האמריקאית הגיעה לדיוק המיוחל על ידי הקטנת הזרוע המודדת של המתקן ככל הניתן ושימוש בלייזר למדידת תנודותיה.

היכולת לשלוט בגדלים קטנים חיונית לטכנולוגיה מתקדמת. במערכות מחשבים, למשל, נדחסים מיליוני רכיבים לשבב סיליקון בזכות גודלם הזעיר. כדי לפעול ביעילות חייבים מחשבים לבצע פעולות חישוב בפרקי זמן קצרים מאוד. לדוגמה: מחשב בעל מעבד הפועל בקצב של ג'יגה-הרץ אחד מבצע פעולה כל ננו-שנייה. הזמן הנדרש למעבד לשלוף נתון אחד מהזיכרון הוא כארבעים ננו-שניות. בשלב זה אין אפשרות לבנות מחשבים הפועלים במהירות של אטו-שניות, אך עצם העובדה שפרקי זמן כאלו נמדדו במעבדה מהווה הישג משמעותי ואולי רמז לטכנולוגיות העתידות לבוא.

המחקרים של הקבוצות האוסטרית והאמריקאית הם ראשוניים ויידרש, ככל הנראה, עוד זמן רב עד שיפותחו יישומי אטו-טכנולוגיה שימושיים. אבל היכולת לטפל בגדלים אלו הוכחה כעת בפועל והדלת אל היישומים העתידיים פתוחה.

עם פרסום הניסוי ציין ד”ר קרייגהד שהוא מאמין כי צוותו יוכל לשפר את המתקן שפותח ולמדוד בקרוב משקלים קטנים עד כדי אלפית האטו-גרם. בהתאם לשיטת המספור המדעית, אלפית האטו היא זפטו (Zepto), אבל על זפטו-טכנולוגיה אין מה לדבר, עדיין.

ידען הפיסיקה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~795567124~~~57&SiteName=hayadan