מדענים השיגו פריצת דרך בחקר הקוונטי כאשר הראו שחלקיקי ננו יכולים להפגין תנודות סיבוביות קוונטיות אפילו בטמפרטורת החדר — מבלי לקרר אותם כמעט לאפס המוחלט
מדענים השיגו פריצת דרך בחקר הקוונטי כאשר הראו שחלקיקי ננו יכולים להפגין תנודות סיבוביות קוונטיות אפילו בטמפרטורת החדר — מבלי לקרר אותם כמעט לאפס המוחלט.
באמצעות ננו־חלקיק אליפטי, הכלוא בשדה אלקטרומגנטי, הופעלו לייזרים ומראות מכוילים בקפידה כדי לנקז אנרגיה מתנועת הסיבוב שלו, עד שהגיע כמעט למצב היסוד הקוונטי הטהור. באופן מפתיע, החלקיק עצמו נותר חם — בטמפרטורה של מאות מעלות — אך הסיבוב שלו “קפא” במובן הקוונטי.
בוחנים את גבולות הפיזיקה הקוונטית
מהם גבולותיה של הפיזיקה הקוונטית? מדענים ברחבי העולם חוקרים שאלה זו זה עשרות שנים. כדי לרתום את התופעות הקוונטיות לטכנולוגיה, יש לברר אם התנהגות קוונטית אפשרית לא רק באטומים ובמולקולות, אלא גם בעצמים גדולים מהם בהרבה.
דוגמה לכך היא כדורי זכוכית מיקרוסקופיים בקוטר של כ־100 ננומטר. אף שכל כדור גדול פי יותר מאלף מגרגר חול, בסקאלה הקוונטית הוא נחשב “גדול”. במשך שנים ניסו חוקרים לברר אם חלקיקים בגודל כזה יכולים לשמר תכונות קוונטיות. כעת, צוות ב-ETH ציריך, יחד עם תאורטיקנים מ-TU Wien (וינה), מדווח על תגלית משמעותית: הוכחה שתנודות הסיבוב של חלקיקים כאלה מצייתות לכללים הקוונטיים לא רק כשמקררים אותם כמעט לאפס המוחלט בטכניקות מורכבות מאוד, אלא גם בטמפרטורת החדר.
קוונטות תנודה: רק תנודות מסויימות אפשריות
“חלקיק מיקרוסקופי תמיד יתנדנד מעט,” אומר קרלוס גונסלס-בליסטֵרו (Carlos Gonzalez-Ballestero), מהמכון לפיזיקה תאורטית ב-TU Wien. התנודה תלויה בטמפרטורה ובאופן שבו הסביבה משפיעה על החלקיק.”
בחיי היומיום כל תנודה נראית אפשרית. מטוטלת של שעון, למשל, יכולה להתנדנד לכל זווית ובעוצמות שונות. בעולם הקוונטי הדברים שונים: באנרגיות נמוכות, התנודות מופיעות במנות אנרגיה בדידות — “קוונטות של תנודה”.
יש מצב תנודה הנמוך ביותר — מצב היסוד — אחריו מצב עם מעט יותר אנרגיה – מצב העירור הראשון, וכן הלאה. אין מצבים “בין לבין”, אך חלקיק יכול להיות בסופרפוזיציה — צירוף קוונטי — של כמה מצבי תנודה בו־זמנית, עיקרון יסוד במכניקת הקוונטים.
“קשה מאוד להביא ננו־חלקיק למצב שבו תכונותיו הקוונטיות בולטות,” מוסיף גונסלס-בליסטֵרו. “צריך ‘להרחיף’ אותו כדי לבודדו ככל האפשר מהפרעות. ובדרך כלל יש גם צורך בטמפרטורות נמוכות במיוחד, סמוך לאפס המוחלט (-273.15°C).”
מבודדים סיבוב קוונטי בחלקיק חם
כעת פיתחו ETH ציריך ו-TU Wien שיטה המאפשרת להביא היבט מסוים של הננו־חלקיק למצב קוונטי — אף שהחלקיק כולו מצוי במצב חם ומבולגן.
“אנחנו משתמשים בננו־חלקיק שאינו כדורי מושלם אלא אליפטי מעט,” מסביר גונסלס-בליסטֵרו. “כשכולאים אותו בשדה אלקטרומגנטי, הוא מתחיל להסתובב. שאלנו: האם נוכל לצפות בתכונות הקוונטיות של תנודת הסיבוב? האם נוכל לשאוב אנרגיה מתנועת הסיבוב עד שלעתים קרובות הוא יימצא במצב היסוד הקוונטי?”
לשם כך הופעלו אלומות לייזר ומערך מראות. “הלייזר יכול להזין אנרגיה לחלקיק — או לגרוע ממנה,” הוא אומר. “על-ידי כיוון מתאים של המראות, ניתן להבטיח שההסתברות להוצאת אנרגיה תהיה גבוהה, ולהוספת אנרגיה — נמוכה. כך אנרגיית הסיבוב פוחתת עד שאנו מתקרבים למצב היסוד הקוונטי.” כדי להשיג זאת נדרש לפתור בעיות תאורטיות קשות — ובפרט להבין ולשלוט כראוי ברעש הקוונטי של הלייזרים.
יצירת מצב של טוהר קוונטי ללא קירור"
בסופו של דבר החוקרים הצליחו להביא את הסיבוב למצב התואם כמעט לחלוטין את מצב היסוד הקוונטי. המדהים הוא שהננו־חלקיק עצמו אינו מקורר — להפך, הוא חם מאוד, במאות מעלות.
“צריך להבחין בין דרגות חופש שונות,” מסביר גונסלס-בליסטֵרו. “כך ניתן להפחית את אנרגיית תנועת הסיבוב ביעילות — מבלי להפחית בו־בזמן את האנרגיה התרמית הפנימית של החלקיק. במפתיע, הסיבוב יכול ‘לקפוא’, כביכול, אף שהחלקיק חם.”
כך נוצר מצב “טהור” יותר במונחים קוונטיים מאשר הושג בעבר בחלקיקים דומים — בלי צורך בקירור. “זו דרך פרקטית באופן מפתיע לדחוף את גבולות הפיזיקה הקוונטית לקצה,” מסכם גונסלס-בליסטֵרו. “כעת נוכל לחקור תכונות קוונטיות של עצמים בצורה יציבה ואמינה — מה שכמעט לא היה אפשרי בעבר.”
עוד בנושא באתר הידען:
