האם ניסוי שנערך לאחרונה באוניברסיטת אמסטרדם יסלול את הדרך ל"לייזר של אטומים" – מכשיר שיפיק שטף קבוע של אטומים זהים?
המצאתו של הלייזר בשנות ה-60 של המאה הקודמת חוללה מהפכה מדעית וטכנולוגית. כיום טכנולוגיית הלייזר נמצאת בשימוש כמעט בכל מקום: מאמצעי תקשורת ומערכות נשק ועד סורקי ברקוד במכולת ועכברים למחשב. בשלושים השנים האחרונות ניסו קבוצות מדענים מרחבי העולם לממש "לייזר של אטומים": מכשיר שינצל את תכונותיו הקוונטיות של החומר כדי להפיק שטף קבוע של אטומים זהים זה לזה, בדומה לשטף הקבוע של פוטונים – חלקיקי אור – שמפיק לייזר אופטי. במאמר שהתפרסם ביוני בכתב העת Nature הדגימה לראשונה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת אמסטרדם בסיס ללייזר של אטומים שפועל באופן רציף ומתמשך.
מקור השם לייזר בראשי התיבות של המילים Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – הגברת אור באמצעות פליטה מאולצת של קרינה. הרעיון הבסיסי מאחורי אופן הפעולה של לייזר הוא שכאשר פוטון פוגע בחומר, הוא יכול להיבלע ולהיפלט מחדש. כל חומר, בהתאם למאפייניו, יכול לפלוט את הפוטון מחדש בשלל כיוונים ובאורכי גל שונים – כלומר בצבעים שונים.
ככל שישנם יותר פוטונים מסוג מסוים בסביבת החומר, כך סביר יותר שהוא יפלוט פוטון שזהה להם. התופעה הפיזיקלית הזו נקראת פליטה מאולצת, ובעזרתה אפשר לגרום לחומר לפלוט מחדש את הפוטון בדרך שנבחר. כך אפשר להמיר אנרגיה לכמות גדולה של אור עם תכונות מיוחדות: לאור היוצא מלייזר יש אורך גל אחיד מאוד בהשוואה למקורות אור אחרים, ואלומת האור שהוא יוצר צרה מאוד. אחת מתכונותיו החשובות ביותר של האור הזה נקראת קוהרנטיות, שמשמעותה היא שגלי האור שומרים על תכונותיהם לאורך זמן. התכונה הזאת מאפשרת למקד את הלייזר לעוצמה חזקה או לבנות איתו מכשירי מדידה מדויקים.
לאור היוצא מלייזר יש אורך גל אחיד מאוד. לייזר של שעון אטומי אופטי | צילום: Andrew Brookes, National Physical Laboratory / Science Photo Library
תכונות קוונטיות
על פי תורת הקוונטים, גם לחומר, בדומה לאור, יש תכונות של גל, אך לרוב הן לא באות לידי ביטוי בחיי היומיום. כדי לחזות באופיו הקוונטי של החומר, עלינו להשתמש בדרך כלל במערכות מבודדות היטב, ברִיק ובטמפרטורות נמוכות מאוד. למרות הקושי לייצר חומר שמתנהג באופן קוונטי, במעבדות רבות ברחבי העולם מקררים חומרים לטמפרטורות נמוכות מאוד במערכות מורכבות כדי למדוד בזהירות את תכונותיהם הקוונטיות.
אחת התופעות הקוונטיות המעניינות שמתרחשות במעבדות הללו היא עיבוי בוז-איינשטיין. לכל חלקיק יש תכונה קוונטית שנקראת ספין. חלקיק שהספין שלו הוא מספר שלם נקרא בוזון, ואילו חלקיק שהספין שלו אינו שלם נקרא פרמיון. פוטונים, שהם כאמור חלקיקים של אור, הם בוזונים, וכך גם אטומים מסוימים. כשמקררים בוזונים לטמפרטורה נמוכה מאוד, הם מתקבצים וחולקים זה עם זה את המצב הקוונטי שלהם, וכך הופכים דומים מאוד זה לזה. למעשה, הם הופכים קוהרנטיים זה עם זה, ממש כמו האור שמפיק הלייזר.
זה הוא עיבוי בוז-איינשטיין, שנמדד לראשונה בשנת 1995 בשתי מעבדות במקביל: ב-JILA שבקולורדו בידי קארל וימן (Wieman) ואריק קורנל (Cornell), ובמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בידי וולפגנג קטרלה (Ketterle). על כך זכו השלושה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2001. באמצעות עיבוי בוז-איינשטיין אפשר ליצור גלים קוהרנטיים של חומר, שבדומה לאור קוהרנטי, מאפשרים לבצע מדידות מדויקות באמצעות התאבכות.
מהרגע שבו נמדדו גלי חומר במעבדה החל המרדף אחר "לייזר של אטומים": טכנולוגיה שתוכל להפיק שטף קבוע של גלי חומר קוהרנטיים לזמן ממושך, או אפילו בלתי מוגבל. שטף רציף ומתמשך הוא חשוב כיוון שככל שהוא יימשך יותר זמן, כך הוא יאפשר מדידות מדויקות יותר. השימוש במושג "לייזר" משקף את הדמיון בין תכונותיהם של גלי החומר שנפלטים לבין התכונות של האור שפולט הלייזר, ולא את דרכי יצירתם, שהן שונות מאוד.
החוקרים הדגימו עיבוי בוז-איינשטיין שיכול להימשך ללא הגבלה. אטומים (כחול) מובלים למעובה בוז-איינשטיין במרכז, במציאות האטומים לא נראים לעין | מקור תמונה: University of Amsterdam/Scixel
יצירה של "לייזר" כזה היא משימה מורכבת מאוד מבחינה טכנולוגית, כי היא דורשת מהחומר המעובה, כלומר זה שעבר את עיבוי בוז-איינשטיין, להישאר קוהרנטי לאורך הרבה זמן. כדי שהלייזר יפלוט חומר כל הזמן צריך להזין אותו באטומים חדשים, להספיק לקרר אותם לטמפרטורה המתאימה, ולדאוג שיתאחדו עם המעובה הקיים. אתגר נוסף הוא שמצבי צבירה קוונטיים כמו עיבוי בוז-איינשטיין רגישים מאוד להפרעות מהסביבה, ומספיקות תקלות קטנות בניסוי כדי להרוס אותם. גם בתנאי מעבדה מצוינים, אורך החיים של מעובה בוז-איינשטיין לא עולה על שניות בודדות.
למרות המורכבות, קבוצת חוקרים מאוניברסיטת אמסטרדם הצליחה לעשות צעד משמעותי בדרך לפיתוח לייזר של אטומים. החוקרים בנו מערכת של מספר מלכודות אופטיות, שלוכדות ומקררות אטומי סטרונציום. המערכת מובילה את האטומים הקרים למלכודת אחרת, שם מתרחש עיבוי בוז-איינשטיין. כיוון שקיימת הסתברות קבועה לכך שאטומים יעזבו את המעובה, ככל שיש יותר אטומים במצב הקוונטי המיוחד, כך גם אובדים יותר אטומים. כמות האטומים במעובה גדלה לאט, עד שבגודל מסוים, כשמספיק אטומים לוקחים חלק בעיבוי, קצב האיבוד וקצב הגדילה שווים בדיוק, והמערכת מגיעה למצב יציב. החוקרים הראו שבדרך זו יכול מצב הצבירה המיוחד להמשיך למשך כמה דקות, אף שכל אחד מהאטומים מבלה רק שניות בודדות במלכודת.
המחקר מדגים לראשונה עיבוי בוז-איינשטיין שיכול להימשך ללא הגבלה, ובכך מסיר מכשול גדול בדרך לפיתוח לייזר של אטומים. עם זאת, דרושים עוד צעדים לשם מימוש הטכנולוגיה, שקשורים בין השאר ליכולת לשלוט בפליטת גלי החומר מתוך המעובה. על כל פנים, מדובר בצעד גדול בדרך לדור חדש של טכנולוגיות מדידה קוונטיות.
