המלכודת

מדעני מכון ויצמן קיררו מולקולות לשבריר מעלה מעל לאפס המוחלט באמצעות לכידתן במלכודות מגנטיות העשויות חוטים של מוליכי-על ואידוי המולקולות החמות מתוך המלכודת

מימין: מיכאל קרפוב, יוליה נרייביצ'יוס, ד״ר מרטין פיצר, פרופ׳ אד נרייביצ'יוס ויאיר שגב. מרק של מולקולות
מימין: מיכאל קרפוב, יוליה נרייביצ'יוס, ד״ר מרטין פיצר, פרופ׳ אד נרייביצ'יוס ויאיר שגב. מרק של מולקולות

בימים החמים של קיץ 2019, נדמה שרק טבעי שמדענים ינסו למצוא דרכים מקוריות ויצירתיות לקירור. זה בדיוק מה שעשו פרופ' אד נרייביצ'יוס וחברי קבוצת המחקר שלו במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע – אלא שלמחקר שלהם אין דבר וחצי דבר עם אקלים כדור-הארץ או עם תחזיות מזג האוויר. למעשה, הם התמקדו במערכות מולקולריות זעירות בתוך "מלכודות" מתוחכמות במעבדות הלייזר הממוזגות היטב שלהם.

מטרת-העל של המחקר הזה נובעת מהעובדה שחום הוא, למעשה, תנודה מתמדת של האטומים או המולקולות. כלומר, אם רוצים לבחון היטב את תכונותיהם של מולקולות ואטומים, יש להאט את התנודה שלהם, דבר שמשמעותו היא קירור. דרך אחת להאטה (וקירור) של אטומים מבוססת על שיגור קרני לייזר אל האטומים, מכל הכיוונים, דבר שמאט משמעותית את התנודה שלהם ומקרר אותם. אבל השיטה היעילה הזאת אינה אפשרית ליישום במולקולות, מסיבות שונות.

הדמיה של המערכת שפותחה ונבנתה לצורך הניסוי. מעבדתו של פרופ' אד נרייביצ'יוס, מכון ויצמן
הדמיה של המערכת שפותחה ונבנתה לצורך הניסוי. מעבדתו של פרופ' אד נרייביצ'יוס, מכון ויצמן

פרופ' נרייביצ'יוס וחברי קבוצתו החליטו להתמודד עם האתגר של קירור מולקולות בדרך אחרת – באמצעות תהליך של אידוי (כלומר, בדרך דומה לזו שבה אנו חשים קירור בעת חיטוי באמצעות אלכוהול או שימוש בתכשירים לאחר גילוח, או בדומה לאופן שבו מתקררים הקפה או המרק שלנו). אלא שכדי לקרר "מרק של מולקולות" באידוי, יש ללכוד אותן ב"קערה" – תהליך מאתגר למדי. מדעני המכון התמודדו עם האתגר הזה באמצעות מערכת טכנולוגית מורכבת מאוד שפיתחו ובנו במיוחד למטרה זו.

בשלב הראשון השתמשו המדענים במכל שבו תערובת של גזי חמצן וקריפטון בטמפרטורת החדר. הגז, בדרך הטבע, מתפשט לתוך ריק (ואקום) בדרך שעשויה להיראות כמעין אלומה של חלקיקים שמתפזרים אל החלל הריק. בדרך זו יורדת הטמפרטורה של הגז לרמה של מעלת קלווין אחת (כלומר, מעלה אחת מעל לאפס המוחלט). בשלב זה המולקולות שבמערכת "טסות" במהירות של כ-400 מטר בשנייה – מהירות אדירה, שלא מאפשרת ללכוד אותן בריק. כדי להאט את המולקולות בנו פרופ' נרייביצ'יוס וחברי קבוצתו מלכודת מגנטית – מעין "קופסה" או "כוס" – שעשויה משדות מגנטיים חזקים, אשר נוצרים באמצעות חוטים של מוליכי-על. שיטה זו מאפשרת להעלות את עוצמת השדות המגנטיים במהירות רבה, דבר שכולא את המולקולות בנפח מצומצם ומגביר את קצב ההתנגשות שלהן אלה באלה. במצב זה אפשר לבצע אידוי של המולקולות החמות מתוך המלכודת – ולקרר את אלו הנותרות בה עד לשבריר של מעלה אחת בלבד מעל לאפס המוחלט.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

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

9 תגובות

  1. קונאן אתה טועה בהרבה נקודות:
    1. טמפרטורה היא אנרגיה קינטית של מולקולות, או אטומים במקרה של יסוד. באפס מוחלט – האטום לא זז. האלקטרון אינו גופיף תנועה סביב הגרעין – הוא נמצא בכל מקום באורביטל (ואפשר להגיד גם שבכל מקום ביקום..)

    2. ספין לא קשור לטמפרטורה. הכוונה באפס מוחלט זה לא אפס אנרגיה.

    3. מה זה בדיוק אינטרקציות בין החלקיקים?

    4. כמובן שצריך למנוע פגיעה של חלקיקים אחרים. אני מניח שזה חלק מהניסוי.

    שאר הנקודות שלך הן אותו דבר – לא קשורות לטמפרטורה.

    וסתם שתדע – כבר הורידו את הטמפרטורה *מתחת* לאפס המוחלט!

    https://www.livescience.com/25959-atoms-colder-than-absolute-zero.html

  2. אפילו את המערכת הפשוטה ביותר: אטום מימן (המכיל פרוטון יחיד ואלקטרון יחיד הנע סביבו) לא ניתן לקרר ל"אפס המוחלט" בגלל:
    1. תמיד האלקטרון יוכל לרדת לכל הפחות לרמת אנרגיה מינימלית (כלומר תנועה באורביטל האטומי 1S), שמשמעותה היא שהאלקטרון באטום לעולם לא ייעצר, ותמיד תהיה לו אנרגייה קינטית.
    2. בנוסף לאנרגייה הקינטית של האלקטרון, יש גם ספין לכל האלקטרונים ולכל הנוקליאונים שבגרעין, אשר אותו גם כן לא ניתן לבטל; ואכן, בעבר הראו שניתן לקרר מוצקים טהורים ולהקטין את ערכה של אנרגיית הספין – המכונה בשם "צימוד ספין" ו"צימוד ספין-מסילה" על ידי הפעלת שדות מגנטיים חזקים במיוחד, המסדרים את כל החקייקים בעלי הספין בכיוון אחד (בשימוש NMR בעל מגנט אדיר) – אך גם פה לא ניתן לבטל את תרומת הספין לחלוטין.
    3. גם במערכת הפשוטה ביותר (= אטום מימן), וכמובן גם במערכות גדולות יותר – כלומר אטומים כבדים יותר ומולקולות דו-אטומיות ורב-אטומיות – תמיד תהיינה אינטראקציות נוספות בין כל החלקיקים (בתוך הגרעין של האטומים הגדולים יהיו אינטראקציות בשל פעולת הכוח החלש והכוח החזק בין הנוקליאונים ובתוך כל נוקליאון, בהתאמה).
    4. כמובן שיש צורך גם למנוע לחלוטין פגיעות של חלקיקי נויטרינו ושאר הקרינה הקוסמית מרחבי היקום, בנוסף למניעת כל תנועה של פונונים בחומר – פעולות אשר לא ניתנות למניעה, גם אם עובדים במעבדות ממוסכות הממוקמות במערות במעמקי כדור-הארץ) – שלא לדבר על הכוחות האלקטרומגנטיים והכבידתיים הפועלים כל הזמן בין כל החלקיקים לבין עצמם.
    5. לפי מיכניקת הקוונטים, גם בוואקום גבוה, יהיו פלוקטואציות של חלקיקים יסודיים; כך, למשל, תיתכן היווצרות צמד אלקטרון/פוזיטרון בכל מקום ביקום, אשר אם הם יאיינו זה את זה בפרק זמן הקצר מ"זמן פלאנק" – צמד החלקיקים הזה לעולם לא יוכלו להתגלות, אך בהחלט תהיה לו השפעה על הטמפרטורה בנקודה שבה הצמד נוצר.
    6. זיכרו תמיד את קיום קרינת הרקע הקוסמית (2-4 מעלות קלווין) שקיימת בכל רחבי היקום – גם בתוך המערכות הניסיוניות בכל המעבדות שניבנו, נבנות וייבנו.
    7. מה לגבי הפרעות של החומר האפל (Dark Matter) אשר לא מופיעות באף חישוב שהובא במחקר הזה?

    לסיכום, בשל כל ההפרעות האלה ואחרות – אשר לא ניתן למנוע אותן לחלוטין – ובהנחה שהפיזיקה עליה התבססתי כאן היא נכונה (ולא כמו הפיזיקה של ניוטון שהופרכה על ידי איינשטיין) – לעולם לא ניתן יהיה לקרר ולהגיע לאפס המוחלט!!!

  3. הטמפרטורה ביקום היא בממוצע 2.73, זה לא איזה חסם תאורטי וגם לא חסם ממשי. פשוט יש הרבה פוטונים באורך גל הזה. זה שהטמפרטורה במלכודת תעלה בסוף, זה גם לא רלוונטי, (גם המקרר בבית מחזיק חומר בטמפרטורה נמוכה מהסביבה. )

  4. כשבכל היקום הטמפרטורה היא לפחות 2.73 מעלות קלווין, קשה לי להבין כיצד ירדו מטמפרטורה זו. עם כל הנטרינים , הפוטונים ושאר הקרניים הקוסמיות הנעות ביקום , זאת רק שאלה של זמן קצר מאוד שהמולקולה תתחיל שוב לנוע, כלומר, הטמפרטורה תחזור לפחות ל 2.73 מעלות קלווין.
    לילה טוב
    סבדרמיש יהודה

  5. עידן אתה טמבל.
    זה שיש לך בולבול לא אומר שאתה ברמה אחת עם בולבולים אחרים ובטח לא עושה אותך יותר טוב מחסרי בולבולים. התגובה המפגרת שלך רק מוכיחה מי שאתה.

    דומה מאוד לכל המטומטמים שבמקרה נולדו למדינת היהודים ומתגאים במספר פרסי הנובל של יהודים\ישראלים למרות שבקושי סיימו תיכון.

    הם זה לא אתה! נהפוך הוא! הם מצליחים למרות שכמותך.

  6. ונניח… רק נניח שיצליחו להתגבר על השבריר מעלה הסוררת הזו ויקררו את המולקולה לאפס המוחלט…
    האם באמת זה יהיה ההבדל בין אטום "חי" לאטום שהאלקטרון שבו יפסיק להסתובב סביב הגרעין והאטום ואחריו כל המולקולה יקרסו לתוך עצמם והעצם יווצר חור שחור זעיר שיגדל תוך כדי בליעת המדענים, המעבדה, המכון ואחריהם העיר וכדוה"א…?
    לא נראה לי…
    אם השבריר מעלה היה נניח אלפית המעלה, כבר היו יכולים לעקוב אחרי האלקטרון בהילוך איטי…

  7. "שבריר של מעלה אחת" – לא עולה בדעתכם לכתוב מהו אותו "שבריר"? עשירית? מאית? עשר במינוס עשר?

  8. איזה מצחיק – רואים מי שולט במדע

    יש שם 4 גברים ואישה אחת שרוצה "להוכיח" שהיא גבר .

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן