המעגל החשמלי האטומי הראשון אי-פעם

המעגל החשמלי “אינו-טריוויאלי” מאחר והוא כולל אלמנט מעגלי – מחסום מותאם השולט בשטף של זרם האטומים עבור ערכים מותרים מוגדרים

חוקרים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה ומאוניברסיטת מרילנד הצליחו להכין את “המעגל האטומי” הראשון מסוגו, לולאה דמויית-סופגנייה של אטומי גז מקוררים-ביתר הנעים בזרם סיבובי באופן המקביל לטבעת אלקטרונים הנעים בתוככי תיל על-מוליך. המעגל החשמלי “אינו-טריוויאלי” מאחר והוא כולל אלמנט מעגלי – מחסום מותאם השולט בשטף של זרם האטומים עבור ערכים מותרים מוגדרים.

גזים מקוררים-ביתר, כגון עיבוי בוז-אינשטיין (הערך בוויקיפדיה) של אטומי נתרן עבור ניסוי זה, הם נוזלים המקיימים את החוקים יוצאי הדופן של העולם הקוונטי. בנוזלים קוונטיים אטומיים טמון פוטנציאל לפיתוח גרסאות מדויקות ביותר של חיישנים והתקנים אלקטרוניים אחרים כגון גירוסקופים (מכשיר עזר לשמירת יציבות במתקני ניווט). מעגלים חשמליים של הליום מקורר-ביתר משמשים כבר היום לאיתור סיבוב.

התקנים על-מוליכים של התאבכות קוונטית (Superconducting quantum interference devices, SQUIDs) משתמשים באלקטרונים על-מוליכים בלולאה על-מנת לבצע מדידות רגישות של שדות מגנטיים. מדענים רבים שואפים לפתח גרסת גז מקורר-ביתר של התקנים אלו, שיוכלו לאתר סיבוב. בשילוב עם התקנים אלקטרוניים ומעגלי חשמל מקבילים אחרים של גז אטומי מקורר-ביתר, או “אטומטרוניקה” (רכיבי אלקטרוניקה אטומיים, atomtronics) שאותם חוזים החוקרים, כגון דיודות וטרנזיסטורים, מחקר זה יכול להוות את הבסיס לדור חדש של חיישנים מדויקים ביותר מבוססי גז מקורר-ביתר.

על-מנת לייצר את המעגל החשמלי האטומי שלהם, החוקרים יצרו זרם מתמיד ויציב – שטף חסר-חיכוך של חלקיקים – מהעיבוי בוז-אינשטיין של אטומי נתרן המוחזקים ע”י סידור לייזרים במבנה המכונה מלכודת אופטית התוחמת אותם לצורה טבעתית, דמויית סופגנייה. שטף עמיד – המתקיים למשך ערך שובר-שיאים של 40 שניות בניסוי זה – הוא סימן ההיכר של על-נוזליות (superfluidity), המקבילה הנוזלית של על-מוליכות.

זרם האטומים אינו חג לאורך הטבעת בכל מהירות שהיא, אלא רק בערכים מוגדרים ובדידים, התואמים בניסוי זה לקוונטום יחיד של תנע זוויתי. אלומת לייזר ממוקדת מייצרת את האלמנט המעגלי – מחסום לאורך צידה האחד של הטבעת. המחסום מורכב מ”קשר חלש” המסוגל לכבות את הזרם שמסביב ללולאה.

על-הזרימה נעצרת בפתאומיות כאשר עוצמת המחסום גבוהה מספיק. בדומה למים בצינור הגינה, האטומים צוברים מהירות בקרבת המחסום. אולם, כאשר המהירות מתקרבת לערך קריטי, האטומים נתקלים לפתע בהתנגדות לזרימתם (צמיגות) והזרימה המחזורית נעצרת, מאחר וכבר לא מתקיימים כוחות חיצוניים התומכים בה.

בעיבוי בוז-אינשטיין, חוקרים הצליחו ליצור בעבר צומֶתי ג’וזפסון (Josephson junctions) – מחסום זעיר המפריד בין שני אזורים על-נוזליים, במלכודת אטומית יחידה. התקנים על-מוליכים של התאבכות קוונטית מחייבים נוכחותו של צומֶת ג’וזפסון במעגל.

מחקר זה מדגים את היישום המעשי של מעגל חשמלי אטומי שלם, המכיל טבעת על-נוזלית של זרם ומחסום קשר חלש הניתן לכוונון. מחקר זה, על-כן, מהווה צעד חשוב קדימה לעבר הפיתוח של התקנים על-מוליכים של התאבכות קוונטית אטומיים מקבילים.

הידיעה על המחקר