אור חדש על מצב מוצק: כיצד הבזקי אור מהירים עשויים לשנות את תכונותיו של חומר מוצק?

במעבדות לפיסיקה של מערכות מורכבות ופיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן התגלתה תופעה יוצאת דופן שלדברי החוקרים עשויה בעתיד להביא לפיתוח מערכות אלקטרוניות מהירות בהרבה מאלה הקיימות

מהירות היא שם המשחק בקבוצת המחקר של פרופ’ נירית דודוביץ מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. חברי הקבוצה בוחנים תופעות אולטרה-קצרות בטבע, באמצעות הבזקי אור שמהירותם נמדדת באטו-שניות (אטו-שנייה היא מיליארדית המיליארדית של שנייה). הבזקי האור הקצרים האלה מאפשרים למדענים לבחון תהליכים קוונטיים שונים, החל ממינהור קוונטי ועד לפירוק או שילוב של מולקולות בתגובות כימיות מסוימות. עד לאחרונה, בוצעו המחקרים והניסויים המתקדמים האלה בחומר במצב צבירה גזי. ואז נכנסו למעבדתה של פרופ’ דודוביץ תלמידי המחקר איילת אוזן וגל אורנשטיין. הם הציעו לנסות ליצור את הבזקי האור המהירים בחומר מוצק. חומר במצב צבירה גזי מורכב מאטומים מופרדים, כאשר לכל אטום מספר קטן של אלקטרונים, המרוכזים סביב הגרעין. לעומת זאת, גביש של חומר מוצק מורכב מהרבה מאוד אטומים המסודרים יחד ומכמות עצומה של אלקטרונים המפוזרים ברחבי הגביש.

ניסויים כאלה, בחומר מוצק, בוצעו כבר במעבדות אחדות בעולם. מכיוון שזהו אתגר ניסיוני ותיאורטי, המחייב שינוי משמעותי בכיוון המחקר שלה, התלבטה פרופ’ דודוביץ אם לבחור להתקדם בכיוון זה. ובכל זאת, התלהבותם של תלמידי המחקר סחפה אותה, והם החלו לתכנן ולבנות את הניסוי, בשיתוף עם פרופ’ בינגהאי יאן וחברי קבוצתו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון.

הניסויים הראשונים הובילו לתוצאות שהמדענים כינו “מוזרות”. וכאן אולי כדאי לזכור שהמדען וסופר המדע הבדיוני, אייזיק אסימוב, אמר ש”הביטוי החשוב ביותר במדע הוא ‘זה מוזר…'”. התופעה המוזרה שהתקבלה הראתה כי הספקטרום של ההבזקים המהירים מורכב מכעין קשת של “גבעות ועמקים”. במשך חודשים רבים ניסו המדענים להבין מה מקור הצורה הספקטרלית המיוחדת הזאת ואיזה מידע אפשר לקבל ממנה.

האלקטרון, שהוא חלקיק קוונטי, יכול להימצא בסופרפוזיציה של מצבים קוונטיים. למשל, להיות בעת ובעונה אחת בכמה מצבים שונים המאופיינים באנרגיה שונה. המדענים ניסו להבין את הקשר בין רמות האנרגיה האלה (המצב הקוונטי של האלקטרון) ובין הספקטרום של ההבזקים המהירים.

התובנה, כפי שקורה לא אחת, הופיעה לפתע, כשהמדענים הבחינו בכך שסופרפוזיציות מסוימות של האלקטרון יוצרות מין “עדשה”, שמרכזת את פליטת ההבזקים הקצרים ל”גבעות” המופיעות בספקטרום הנמדד.

“מבנה רמות אנרגיה בחומר קובע את התכונות הבסיסיות שלו”, אומרת פרופ’ דודוביץ. “בעתיד אנו מקווים למדוד את היכולת של אור לייזר בעוצמות גבוהות לשנות ‘לרגע’ את מבנה הרמות – ובכך גם את תכונות החומר. לדוגמה אנו עשויים למדוד שינוי מהיר מאוד של תכונות החומר, שהופך ממבודד למוליך וחוזר חלילה. ההבנה החדשה שהשגנו עשויה להוביל, בעתיד, ליצירת אלקטרוניקה מסוג חדש, שבה תהליכים שונים מתחוללים במהירויות גדולות בהרבה מכל מה שאנחנו מכירים כיום”.

התוצאות והתובנות החדשות, כדרכן, כבר מציבות שאיפות חדשות. במעבדתה של פרופ’ דודוביץ כבר חושבים על הדרכים שבהן אפשר יהיה להפיק מדידה דינמית, דמוית סרט וידיאו, שתראה, ב”הילוך אטי”, כיצד בדיוק משתנות רמות האנרגיה של האלקטרון הנמדד, תוך כדי ביצוע תהליכים שמשכם הטבעי נמדד באטו-שניות.

עוד בנושא באתר הידען:

• התקדמות לקראת מצב צבירה קוונטי: על-מוצק
• פוטון ואלקטרון נפגשים בתוך גביש פוטוני
• במהירות ההבזק