על הפיזיקה המהירה ביותר

"קפיצה קוונטית" או במילים אחרות, מעבר בין מצבים קוונטים מתרחש כמעט באופן מיידי. כעת שיטת מדידה חדשה מאפשרת למדוד את זמן המעבר באופן מדויק ולצפות בתהליך. דוגמא מפורסמת למעבר בין מצבים קוונטים הוא האפקט הפוטואלקטרי שהוצג לראשונה על ידי איינשטיין

Credit:TU Wien (קרדיט: הטכניון של וינה) באיור : פולסי לייזר הפוגעים במשטח הטונגסטן

זהו אחד מהניסויים המפורסמים והחשובים של המאה העשרים. אור פוגע במשטח מתכתי ומשחרר אלקטרונים מתוכו. לא משנה באיזו עוצמה האור מאיר על המשטח, כל עוד תדירות האור לא מכויילת כהלכה אלקטרונים לא ישתחררו. אלברט איינשטיין היה הראשון להסביר את הניסוי ובכך גילה את הפוטונים – חלקיקי אור נושאי אנרגיה שגודלה פרופורציונלי לתדר האור.

בחלקיק השניה, האלקטרון בולע לתוכו את הפוטון וכתוצאה מספיחת האנרגיה האלקטרון "קופץ" למצב קוונטי חדש ומשתחרר מהמשטח. אפקט זה, הנקרא "האפקט הפוטו-אלקטרי", כל כך מהיר שמבחינתינו הוא מתרחש במיידי. כעת חוקרים מוינה ומברלין הצליחו למדוד באמצעות שיטה חדשנית את משך האפקט ולצפות בו במהלך ההתרחשות. החוקרים מדדו את האפקט על משטח טונגסטן ופרסמו את הממצאים בכתב העת המפורסם Nature.

אטו-שניה של פיזיקה

האפקט הפוטואלקטרי משתלב כמעט בכל מכשיר אלקטרוני – מתאים סולאריים, לסיבים אופטיים ועד למנגנונים לפתיחת דלתות. האפקט מתחולל במשך אטו שניה, או במילים אחרות מיליארדית המיליארדית השניה. פרופ' בורגדורפר מהמכון לפיזיקה תאורטית בוינה אומר כי "בעזרת פולסי לייזר מהירים, ניתן לצפות בתופעות פיזיקאליות בטווח זמנים זה. ביחד עם קולגות מגרמניה הצלחנו למדוד את משך הזמן שלקח לאלקטרון לעבור ממצב קוונטי אחד לאחר". עד היום יכולנו להעריך את משך הזמן אך לא למדוד במדויק. כעת המדענים הצליחו להעריך את משך הזמן האבסולוטי לאפקט הפוטואלקטרי במשטח הטונגסטן. היכולת החדשה להעריך את משך הזמן האבסולוטי הושג באמצעות ניסויים מרובים, סימולציות מחשב וחישובים תיאורטיים.

שלושה שעונים אטומיים

כדי להשיג את החישוב המדויק החוקרים עקבו אחרי מספר שלבים: תחילה נחקרו האלקטרונים שנתלשו מהליום בעזרת פולסי לייזר. "אטום ההליום פשוט מאוד למידול, לכן השתמשנו בו כדי לחשב במדויק את משך הזמן לפליטת פוטונים מהאטום. עבור מערכת מורכבת כמו מתכת, המדידה נחשבת כבלתי אפשרית, גם לא על ידי מחשבי העל המתקדמים ביותר בעולם", הסביר פרופ' למל.

כעת, אטומי ההליום יכולים לשמש את החוקרים כשעונים מדויקים. בניסוי השני, שעוני ההליום כיילו את שעוני היוד. הניסוי השלישי הצליח סוף סוף להשתמש באטומי היוד כדי למדוד את פליטת הפוטונים ממשטח הטונגסטן. כיצד זה נעשה? אטומי היוד פוזרו על משטח הטונגסטן ובעזרת פולסים קצרים של לייזר שפגעו במשטח החוקרים מדדו את יחס האור הנפלט בין אטומי היוד לאטומי הטונגסטן – כך הצליחו למדוד את משך הזמן המדויק. כדאי לציין שהחוקרים השתמשו בטונגסטן משום שבעזרת האינטרקציה של האלקטורנים עם שפתו קל למדוד בידיוק מתי האלקטרונים מתנתקים ממנו.

משך הזמן שלוקח לאלקטרון להתנתק מהמשטח תלוי במצב ההתחלתי שלו. טווח הזמנים נע בין 100 אטו-שניה עבור אלקטרונים הנמצאים בקרבת הגרעין, עד ל-45 אטו-שניה לאלקטרונים הנמצאים בקליפת הטונגסטן. אבל כמובן שמטרת הניסוי כללית יותר ולא התמקדה רק במדידת הזמן האבסולוטי. כעת החוקרים מתפנים לחקור גם את תהליך המעבר בין שני מצבים קוונטים ולצפות בתופעות פיזיקאליות חדשות שעד כה התחבאו מאיתנו.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

2 תגובות

  1. בד"כ אני לא מעיר על שגיאות בעברית, אבל כבר כמה מאמרים אתה כותב "בידיוק". לידיעתך, היו"ד הראשונה מיותרת.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן