לשמור את הגלים

קבוצת מדענים מארצות הברית הצליחה לראשונה ליצור התקן שמסוגל לאגור גלים מכניים בלי לאבד את האנרגיה שלהם, ולשחרר אותם באופן מבוקר. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת Science Advances.

גלים הם הפרעות מחזוריות שמתפשטות במרחב. תופעות רבות בטבע אפשר לתאר באמצעות גלים: גלי ים, קול, אור, כבידה ועוד. גלים מכניים הם הפרעות שמתקדמות בתוך חומר זה או אחר, בניגוד למשל לאור שאינו זקוק לחומר כדי להתקדם, ומעבירות דרכו אנרגיה. למשל כשאנחנו נוגעים בפני השטח של בריכת מים עומדים, אנחנו יוצרים הפרעה שמתפשטת על פני המים ובאה לידי ביטוי באדוות שנוצרות. החומר שדרכו הגל עובר מכונה "תווך".

כשגל מתקדם בתווך מסוים ומגיע למקום שבו התווך משתנה, יכולים להתרחש כמה תהליכים. הראשון הוא החזרה, כלומר הגל חוזר לכיוון שממנו הגיע, כפי שקורה לרוב גלי האור הפוגעים במראה. לחלופין יכולה להתרחש העברה: הגל יתקדם בתוך התווך החדש. כשאור פוגע בזכוכית, למשל, רוב גלי האור הנראה עוברים דרכה ולכן היא נראית לנו שקופה. לחילופין, גל יכול להיבלע, כלומר הוא מומר לצורה אחרת של אנרגיה, לדוגמה חום, או מתניע תהליכים כימיים או פיזיקליים אחרים. תהליך הבליעה של האור והמרתו לחום מוכר לכל מי שהלך יחף על החול הלוהט בחוף הים בצהרי היום בחודש אוגוסט.

העוצמה של תהליכי ההחזרה, ההעברה והבליעה תלויה במאפייני המערכת: סוג החומרים שבהם עובר הגל, המבנה שלהם, תדירות הגל ועוד.

צינור פלדה וגבישים פיאזואלקטריים המייצרים גלים. המערכת ששימשה בניסוי | צילום מתוך מאמר המחקר

לכלוא את הגל

החוקרים מאוניברסיטת ניו יורק ומהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה, הראו כי אם יוצרים גלים בצורה שהותאמה לכך במיוחד, אפשר לבטל לחלוטין את ההחזרות וההעברות של הגלים במערכת, כך שלגל לא תישאר ברירה אלא להיבלע. כלומר האנרגיה של הגל תיאגר בתוך החומר, לרוב בצורת חום.

כעת עלתה השאלה מה קורה כשמשתמשים בחומר שבו אובדן האנרגיה לטובת חום הוא זניח? אנרגיה לא נעלמת, והחוקרים הראו שהגל יישאר כלוא או אגור במערכת בצורה שנקראת גל עומד, כלומר גל שנשאר מקובע לאותו מקום בנקודות מסוימות ולכן אפשר להתייחס אליו כמעט כאילו הוא נבלע בחומר. את המצב הזה הם כינו "בליעה וירטואלית קוהרנטית". כשתנאי העירור המיוחדים שיצרו החוקרים הפסיקו להתקיים, הגלים השתחררו.

המערכת שבאמצעותה נבחנה הבליעה הווירטואלית הקוהרנטית הורכבה מצינור פלדה שהקוטר שלו במרכזו היה כפול מהקוטר שלו בשני קצותיו. משני צידי המוט חוברו גבישים פיאזואלקטריים – גבישים המשנים את המבנה שלהם כשמפעילים עליו מתח חשמלי. באמצעות הגבישים הללו יכלו ליצור בצינור הפלדה גלים מכניים מבוקרים.

החוקרים מדדו את התקדמות התנודות בצינור באמצעות מכשיר לייזר המבוסס על אפקט דופלר, בדומה למד המהירות שבו משתמשת משטרת התנועה. החוקרים הראו שכאשר הם מייצרים גלים באופן מסונכרן בין שני צידי צינור הפלדה הם יכולים לגרום לגל "להיבלע וירטואלית" בחלק האמצעי של הצינור בלי לאבד אנרגיה. כשחדלו לייצר את הגלים באופן זה, הגלים האגורים השתחררו.

לפיתוח האפשרות לאגור גלים יכולות להיות השלכות יישומיות מרחיקות לכת בתחומים רבים – למשל אגירת אנרגיה, שמירת מידע, העברת תקשורת ועוד. מכיוון שגלים הם תופעה נפוצה מאוד, ייתכן שנוכל להשתמש באותם עקרונות גם למערכות הקשורות לגלים אחרים, כמו אגירת אנרגיה חשמלית.

עם זאת, בשיטה החדשה עדיין יש בעיה גדולה: כדי ליצור את התנאים לבליעה וירטואלית קוהרנטית, החוקרים השתמשו בעוצמת עירור שגדלה בצורה מעריכית (אקספוננציאלית) עם הזמן, כלומר בקצב הולך וגובר. מכיוון שגדילה מעריכית היא מהירה מאוד, קשה להתמיד בה לאורך זמן, ואכן המערכת הצליחה לאגור את הגלים למשך כ-270 מיליוניות השנייה בלבד. המגבלה הזאת יוצרת מכשול גדול ליכולתנו למצוא ישומים מעשיים למערכת, לפחות עד שיימצאו דרכים להתגבר עליה.