בכך פתחו תחום מחקר חדש – ספינאופטיקה ומצאו דרך חדשה לשליטה באור באמצעות סיחרורו
חוקרי הטכניון הם הראשונים שהצליחו לצפות באפקט מגנוס באור, ובכך פתחו דרך חדשה לשליטה באור בקנה מידה ננומטרי בעזרת "סחרור" של האור. התגלית הניסויית החדשה מספקת דרך טובה להבנה פיסיקלית בסיסית למסלולם של חלקיקים מסתובבים הנעים בתווך לא הומוגני, שעד כה ניתן היה לצפות רק במערכות מסובכות של חומר מעובה. המחקר מתפרסם בכתב העת המדעי Nature Photonics ובוצע על ידי פרופסור ארז חסמן, ד"ר קונסטנטין בליאוך, ד"ר ולדימיר קליינר ואבי ניב מהמעבדה למיקרו וננו-אופטיקה, הפקולטה להנדסת מכונות ומכון ראסל ברי למחקר בננו-טכנולוגיה.
יצירתו של כוח צדי על מוצק גלילי או כדורי מסתובב השקוע בנוזל (או גז) כשיש תנועה יחסית בין הגוף המסתובב לנוזל – קרויה אפקט מגנוס (Magnus effect). הפיסיקאי הגרמני היינריך מגנוס תיאר לראשונה את האפקט ב-1853. במשחקי כדור רבים אחראי אפקט מגנוס לתנועת המסלול של כדור מסתובב (למשל, שחקן כדורגל, טניס או פינג פונג אשר "מסובב" את הכדור). אפקט מגנוס משפיע גם על מסלולם של טילים מסתובבים, ומשפיע על תעופת כלי טייס מסוימים.
לגלים אלקטרומגנטיים המתנהגים גם כחלקיקים נטולי מסה הנקראים פוטונים, יש תכונה פנימית – "סחרור" של הפוטונים (ספין). הספין, שהוא התנע הזוויתי הפנימי של הפוטונים, תלוי בכיוון הקיטוב המעגלי של האור. חוקרי הטכניון מדווחים במאמרם על תיאוריה מאוחדת בנושא ולראשונה על תצפית ניסיונית ישירה בסטייה תלוית-ספין – אפקט מגנוס בפוטונים. אפקט מגנוס לאור (הנקרא גם spin Hall effect), גורם לאור לסטות בשל האינטראקציה בין הספין של הפוטונים לצורת מסלולו. ההשלכות האפשריות של עבודתם נרחבות מאוד. "יישום האפקט הזה באמצעים פוטוניים וננו-אופטיים עשוי להוביל לפיתוחו של תחום מחקר חדש – ספינאופטיקה", אומר פרופ' חסמן. "אנו מקווים כי נצליח לשלוט באור בקנה מידה ננומטרי, בדרכים שלא היו אפשריות עד כה".
החוקרים מאמינים כי בהמשך תספק עבודתם תוצאות שיועילו גם לתחומים אחרים בפיסיקה. לדברי פרופ' חסמן, "ישנן מערכות פיסיקליות רבות שבהן הספין של החלקיקים משפיע על מסלול התנועה, כגון בפיסיקה של אנרגיות גבוהות וחומר מעובה. האפקט דומה ברוב המקרים, אבל קשה מאוד לחקירה ניסיונית. הגישה הניסויית שלנו מאפשרת להתמודד עם שאלות בסיסיות אלו בבהירות ובדיוק".
18 תגובות
סַחְרִיר
מיכאל ר. – תודה רבה !
ישעיה:
שאלותיך אכן מעניינות ונראה לי שכדי לקבל תשובה רצינית יהיה עליך לפנות למישהו שתורת הקוונטים היא מקצועו.
מה שאני יכול לומר הוא שהשאלה "האם מדובר בגל או בחלקיק?" מוכרעת על ידי הניסוי המתבצע.
ניסוי שנועד לגלות חלקיקים יגלה חלקיקים. ניסוי שנועד לגלות גלים יגלה גלים.
כאשר משלבים בין שני סוגי הניסויים (כמו על ידי הצבת גלאי חלקיקים בחרכים או בקרבתם) הרי שמידת ההתאבכות המתקבלת תלויה במידת ה"פיספוס" של הגלאים. ככל שהגלאים אמינים יותר יש פחות התאבכות. ככל שיותר חלקיקים יכולים לחמוק מגילוי – יש יותר התאבכות.
ביחס לאובדן הספין – זה דבר שלעולם לא קורה:
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_(physics) a
אגב, ממש אינני רוצה להיות משבית שמחות, אבל נדמה לי שבמחלקת הפיזיקה של אוניברסיטת אילינוי, הקדימו את החבר'ה מהטכניון בכמה חודשים (כמובן, אשמח לדעת שאני טועה וזה גם לא ממש חשוב לגופו של ענין):
ועוד שאלות תם ובור – 1. האם פוטונים בסחרור המועברים אל הגלאי דרך חרכים ייצרו אפקט התאבכות או לא?
2. האם תוצר מעשי תיאורטי של המתואר במאמר יהיה אור במסלול קשתי המסוגל "לעקוף פינות" ללא שימוש בהחזר ? 3. האם אור "מסוחרר" שיוחזר, ממראה למשל, ישמור על הסחרור? 4. האם הוא יעביר חלק מזה למשטח שיפגע בו (כמו שמתנהגים כדורי ביליארד מסוחררים)? 5. בהעדר מסה, האם הפוטון יאבד בהדרגה את הסחרור או, שתיאורטית יכול להתמיד בו אם לא יושפע מגורם חיצוני? טוב, יותר מדי שאלות, אני מניח. זה פשוט מסקרן מאוד.
שאלת תם ובור – האם ממצא זה איננו מהווה התנהגות "חלקיקית" במובהק של הפוטון? כלומר, ככל שידיעתי מגעת זוהי איננה תופעה אופיינית לגלים או שאני טועה?!
א.בן-נר:
לדעתי מחברי המאמר היו ערים להבדל והשתמשו בשם רק כמטאפורה ולא כדי לטעון שפועל כאן אותו מנגנון.
מכל מקום, דבריך, כמובן, נכונים.
ליהודה
דומני כי ע"פ הגדרה, כל תווך, למעט ריק, הינו
בלתי הומוגני. הכל תלוי בסקלת התצפית .
ברם-אולם ריק מוחלט אינו קיים ביקום הפיזיקאלי.
לדעתי ההשוואה לאפקט מגנוס קלאסי, אינה טריוויאלית.
ככל שידוע לי, ההסבר לאפקט מגנוס קלאסי הוא כי הספין יוצר תנועה יחסית של פני העצם המסתובב ביחס לתווך (גז,נוזל). בנוסף קיימת תנועה לינארית (קווית) של העצם ביחס לתווך.
כיוון הסיבוב הינו במגמת התנועה הקוית, בצד אחד של הגוף ובמגמה הפוכה, בצידו הנגדי. מצב אסימטרי זה יוצר, בהתאם ל(משוואת ברנולי)=
(משוואת שימור האנרגיה בנוזלים וגזים),
מצב שבו הלחצים ההידרודינמים, משני צידי הגוף המסתובב, אינם שוים. בצד בו מגמות התנועה (הקוית והלינארית)שוות, הלחץ גדול יותר מבצד הנגדי, בו מגמות התנועה מנוגדות.
הפרש לחצים זה יוצר כוח הפועל על ההגוף.
כח זה, כיוונו ניצב לכיוון התנועה הלינארית ולכן נגרמת סטיה ממסלול התנועה הקוית והגוף נע במסלול "מעגלי". לעומת זאת, מנגנון דומה
אינו פועל בתנועת הפוטון . לפיכך נראה כי, צריך להיות הסבר שונה למנגנון הפיזיקאלי הגורם לשינוי בתנועה הלינארית של הפוטון בהשפעת הספין.
למי שלא הבין. הדוגמה הפשוטה לאפקט מגנוס, היא קליעי רובה
המסתחררים בגלל סלילי הקנה וסיחרורם גורם לסטיה קבועה
מהמסלול הצפוי; מסתבר שאותו דבר קורה גם לפוטונים, שסיחרורם
("הספין") משפיע על כיוון מסלולם.
אם אפשר יהיה לשלוט בסטיה זו, הרי שיתכנו לתגלית זאת שימושים
רבים, אולי כמו צריבה ופיתוח של מעגלים מודפסים קטנים במיוחד, או
בטיפול ברכיבים ננומטריים באמצעות קרן אור, או יצירת מחשבים ורכיבי
זיכרון, המבוססים אל רכיבים אופטיים ולא חשמליים.
האם התגלית תקדם פיתוחם של מחשבים קוואנטיים?
וזה, אם אינני טועה, לינק לתקציר המאמר הנוכחי –
לאחרונה נוספו לקהל המגיבים כאן מיכאלים נוספים.
זו, כמובן, זכותם להקרא באותו שם (למרות שאני הייתי בודק אם יש כבר מגיבים נוספים בשם זה לפני שהייתי מתחיל להשתמש בו ככינוי).
כדי למנוע בלבול החלטתי לשנות את אופן הזיהוי של תגובותי.
הכינוי הארוך (כולל הסוגריים) נועד לשמור על זיקה לתגובותי בעבר.
נדמה לי שזה מאמר קודם, משנת 2004, באותו הנושא:
האם אפשר להוסיף קישור למאמר המקורי
כתוב גרוע
ציטוט
" התגלית הניסויית החדשה מספקת דרך טובה להבנה פיסיקלית בסיסית למסלולם של חלקיקים מסתובבים הנעים בתווך לא הומוגני," סוף ציטוט.
עד כמה שאני מבין, אפקט מגנוס לא מחייב תווך לא הומוגני.
הציטוט דורש הסבר.
לילה טוב
סבדרמיש יהודה
המאמר לא ברור. לא ברור מה הם חיפשו ומה בדיוק הם גילו.
לאילו מטרות בדיוק זה מועיל?
אודה לתשובות.