כשאור פוגש חומר

יחסי הגומלין בין אור וחומר, והאופי המדויק שלהם, נמצאים במוקד של מחקרים רבים בפיזיקה המודרנית. יש להם גם חשיבות רבה עבור יישומים טכנולוגיים כמו תאים פוטו-וולטאיים להפקת חשמל מאור השמש, או אלקטרוניקה זעירה. כעת, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו למדוד ברמה גבוהה של דיוק את אופן תנועתם בחומר של חלקיקים מעורבים של אור וחומר. המחקר, שפורסם בכתב העת Nature Materials, חשף את התנהגותם המורכבת של החלקיקים, שיכולים לנוע במגוון צורות ומהירויות בחומר, עד כדי תנועה במהירות של כשני שליש ממהירות האור.

חלקית אור, חלקית חומר

מנקודת המבט היומיומית, כשאור פוגש בחומר יכולות להתרחש שלוש תוצאות אפשריות: האור יכול לעבור דרך החומר כמו בחלון שקוף, לחזור ממנו כמו ממראה, או להיבלע בו. בדרך כלל התוצאה תשלב במידה זו או אחרת את שלוש האפשרויות הללו. לאורך המאה ה-20, ככל שפיזיקאים למדו להבין טוב יותר את טבעו הקוונטי של הטבע, ושל האור בתוכו, נחשפו יותר פרטים מורכבים ביחסי הגומלין בין אור לחומר. למשל, כבר בשנת 1905 הסביר אלברט איינשטיין שהאור מגיע בחבילות אנרגיה בדידות, כהסבר לממצא ניסויי הידוע בשם האפקט הפוטואלקטרי. חבילות האור הללו נקראות פוטונים, והפכו מאז לאחת מאבני היסוד של הפיזיקה הקוונטית.

כבר בשנת 1905 הסביר אלברט איינשטיין שהאור מגיע בחבילות אנרגיה בדידות. אילוסטרציה של האפקט הפוטואלקטרי | Shutterstock, zizou7

מה קורה כשפוטון פוגש בחומר? ההסבר המלא הוא מסובך, ותלוי במאפייני האור וגם במאפייני האטומים שמרכיבים את החומר ובאופן שבו הם מסודרים. כדי להבין את המנגנון שפועל כאן, דמיינו גביע יין. אם נקיש עליו נשמע צליל שאופיו נובע מצורת הגביע, כמות היין שבו, הרכב הזכוכית ותכונות נוספות. אם נשמיע צליל באותו תו, כלומר גל קול באותה תדירות, הכוס תרעד בתגובה אליו – מצב שנקרא תהודה (Resonance). לעומת זאת, הכוס לא תרטוט אם התדירות תהיה מאוד שונה מהתדירות הנכונה של הגביע, שנקראת התדירות הרזוננטית.

באופן דומה, חומרים בטבע יכולים להגיב בדרכים שונות לאור, שהוא גל אלקטרומגנטי, בתדירויות שונות. התדירויות הרזוננטיות של כל חומר נקבעות על ידי גורמים רבים, כמו ההרכב הכימי של החומר וסידור האטומים בתוכו. אור בתדירות שמתאימה לחומר, כלומר תדירות רזוננטית איתו, ייבלע על ידי אחד האטומים שבחומר ויעביר את האנרגיה לאלקטרון, או בעגה המדעית "יעורר" אותו. אור בתדירות אחרת עשוי עדיין להיבלע, אך בהסתברות נמוכה יותר, או שפשוט יעבור דרך החומר באין מפריע.

הבעיה מסתבכת אף יותר כשיותר מפוטון אחד עושה את דרכו דרך החומר. במקרה הזה אלקטרון מעורר אחד יכול להשפיע על האופן בו פוטון אחר יעבור בחומר. וכשיש הרבה מאוד פוטונים בתדירויות שונות, כמו שקורה כל פעם שאור שמש, למשל, פוגע בחפץ, הבעיה מסתבכת מאוד. 

כדי לנתח בעיות מורכבות פיזיקאים מוצאים דרכים לפשט את המערכת ולצמצם את השפעתם של פרטים לא הכרחיים לרמה זניחה. אחת הדרכים לעשות את זה היא באמצעות קוואזי-חלקיקים – מערכות או גופים שמורכבים מכמה חלקים אך אנחנו מתייחסים אליהם כמו חלקיק יחיד, וכך מקבלים תיאור נוח ושימושי יותר של הבעיה הפיזיקלית. לדוגמה, אטומים מורכבים מאלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים, אבל במקרים רבים אין צורך להתייחס לכל אחד מהמרכיבים בנפרד כדי להבין את התנהגותם של אטומים. אם ננסה להבין את התנהגותם של כל אלקטרון ופרוטון באטום כבד יותר ממימן, נגלה שזו בעיה מורכבת מדי לפתרון. אך כשאנו מפשטים את הבעיה, ומתייחסים לאטום כאל מכלול אחד, אנחנו מצליחים לייצר תחזיות מוצלחות ומועילות.

במחקר התחקו החוקרים אחרי התנועה של פולריטון - קוואזי חלקיק של אטום מעורר ופוטון - דרך חומר. הגיף מראה את מיקומו של הפולריטון לאורך זמן | ד"ר טל שוורץ

חלקיקים של אור וחומר

בבעיה הנוכחית, כשפוטונים פוגשים חומר ומקיימים אינטראקציה חזקה עם האטומים שבו, מתחוללים כמה תהליכים מורכבים שבהם פוטונים נבלעים באטומים ומעוררים אותם. בעקבות זאת נוצרות אינטראקציות גם בין הפוטונים לאטומים המעוררים, והתנהגותם משתנה.

התהליך כולל תופעות מורכבות ואפקטים קוונטיים, ולא מועיל במיוחד לנסות להבין אותו במדויק. במקום זאת עשוי להיות נוח יותר לחשוב על הבעיה באמצעות פולריטונים (Polariton): קוואזי-חלקיק שחלקו אטום מעורר וחלקו פוטון. תכונותיו של הפולריטון נבדלות בחלקן הן מהחומר והן מהפוטון, בדומה לכך שהתכונות של מולקולה עשויות להיות שונות מאלה של האטומים שמהם היא מורכבת.

בשנים האחרונות התגלה כי פולריטונים יכולים לשנות את התכונות של חומרים אורגניים שבהם הם נעים, כגון ההולכה החשמלית שלהם והאופן שבו מתקיימות בהם תגובות כימיות מסוימות, כך שלהבנת האופי שלהם והשפעותיהם יש חשיבות רבה, בין השאר לפיתוח טכנולוגיות חדשות לניצול אנרגיית השמש.

במחקר שפורסם בינואר האחרון, קבוצת מחקר מאוניברסיטת תל אביב, בהובלתו של ד"ר טל שוורץ, השתמשה במערכת ניסיונית על מנת למדוד את אופן התנועה של פולריטונים בחומר אורגני. במסגרת הניסוי השתמשו החוקרים בהבזקי אור מהירים ומבוקרים בקפידה כדי ליצור מגוון סוגים של פולריטונים, לתעד אותם בדיוק רב וללמוד אותם לעומק. נמצא כי בניגוד למה שסברו עד כה, תנועת הפולריטונים בחומר תלויה במשקל הפוטוני שלהם, כלומר כמה מהאנרגיה של הפולריטון שייכת לאור שמרכיב אותו וכמה ממנה שייכת לחומר.

מקרים מסוימים הפולריטונים נעים בצורה שונה מאוד מהחזוי. גרף המראה את תנועתם של הפולריטונים במרחב | ד"ר טל שוורץ

תחזיות תיאורטיות צפו שפולריטונים ינועו מרחקים גדולים בחומר במהירות גבוהה, ושלאורך רוב הדרך לא ייתקלו במכשולים שיסיטו אותם מדרכם. בפועל מתברר שבמקרים מסוימים הפולריטונים נעים בצורה שונה מאוד מהחזוי: תנועתם דיפוזיבית, כלומר הם מתפשטים לאט ומרבים להתנגש במכשולים שבחומר, שמסיטים אותם לכיוונים אקראיים ומאיטים את מהירותם. המחקר חשף כי ככל שהמשקל הפוטוני של הפולריטון גדול יותר, כלומר, ככל שהפולריטון מורכב מיותר אור ופחות חומר, התנועה שלו בחומר תהיה יעילה יותר ומהירה יותר, ויכולה להגיע עד שני שליש ממהירות האור.

ד"ר שוורץ סיפר לאתר מכון דוידסון כי הממצאים הפתיעו גם אותם. "הניסוי נמשך יותר משנתיים, וכלל עבודה רבה על בניית המערכת האופטית והכנת החומרים", אמר. "כשהתחלנו את המדידות הופתענו לגלות שהתוצאות מורכבות מכפי שצפינו, ושלעיתים ההתנהגות של הפולריטונים שונה ממה שהתיאוריה צופה". כעת שוקדים החוקרים, לצד קבוצות מחקר נוספות, על פיתוח של מודלים תיאורטיים חדשים שיסבירו את הממצאים המפתיעים של הניסוי.