השאלה המלאה: איך ניתן ליצור פוטון בודד? איך ניתן לגלות שאכן הצלחת במשימה? שרון.
שלום שרון,
פוטונים הם כמויות קטנות מאוד של אנרגיית האור, נורת ליבון סטנדרטית של 80 ואט פולטת כ-1019 פוטונים בשנייה. לייזר בתחום האור הנראה, בעוצמה של 1 מיליוואט כמו במצביע לייזר תקני, פולט כ-1016 פוטונים בשנייה. מכאן ברור שלא פשוט לייצר פוטון בודד ושמקורות האור הרגילים שסובבים אותנו מתאימים.
אף על פי שאת הרעיון שהאור מחולק לכמויות אנרגיה קטנות ובדידות העלה מקס פלאנק כבר בשנת 1900, רק בשנת 1974 הצליחו לראשונה ליצור מקור אור שפולט פוטונים בודדים.
שיטה אחת שנפוצה כיום היא שימוש בגבישים לא ליניארים מיוחדים שמאפשרים להמיר פוטון אחד באורך גל מסוים (למשל אור בצבע ירוק) לשני פוטונים באורך גל גדול יותר (למשל אדום) בתהליך שנקרא "Spontaneous Parametric Down-Conversion. התהליך הזה קורה בגביש בשכיחות נמוכה מאוד, כך שרק פוטונים בודדים יעברו את ההמרה..
כשמעבירים בגביש קרן לייזר בצבע ירוק, הקרן אמנם מכילה מספר עצום של פוטונים, אך רק בודדים מהם יעברו את התהליך ויומרו לשני פוטונים אדומים. לאחר מכן נוכל להרכיב פילטר שיבלע את הפוטונים הירוקים ויעביר רק את האדומים ונקבל זוגות של פוטונים אדומים שיוצאים בקצב אטי מאוד.
זה כמובן לא סוף הסיפור, כי אנחנו צריכים עדיין להפריד בין הזוגות ולוודא שיש לנו במערכת רק פוטון אדום בודד. כדי לפצל בין זוגות הפוטונים האדומים נשים מראה חצי שקופה שמעבירה חצי מהאור המגיע אליה ומחזירה חצי ממנו. את האור המוחזר נכוון אל גלאי ביקורת שישמיע נקישה בכל פעם שמגיע אליו פוטון יחיד, ובדרכו של האור שיעבור את המראה נעמיד גלאי נוסף שיהיה גלאי הניסוי.
הפוטונים האדומים יגיעו אל המראה החצי שקופה בזוגות. לפעמים שניהם יעברו, לפעמים שניהם יוחזרו ולפעמים אחד יעבור ואחד יוחזר. אם נקבל שתי נקישות באחד הגלאים נדע שהפוטונים עברו או הוחזרו ביחד. אם נקבל נקישה בגלאי הביקורת ומיד אחריה נקישה בגלאי הניסוי נדע שפוטון אחד הוחזר ופוטון אחד בדיוק עבר במערכת הניסוי שלנו.
תהליך המרת פוטונים בגביש | איור: Denysbondar, ויקיפדיה
מקור לפוטונים בודדים
שיטה נוספת לייצור פוטונים בודדים היא על ידי מקור אור שפולט פוטונים יחידים בלי צורך בתהליך מסובך של המרת הפוטונים בגביש, כלומר המקור עצמו יכול לפלוט רק פוטון אחד בכל רגע. יש כמה אפשרויות למקור כזה, למשל אטום או יון בודד שכלואים במלכודת, או גביש ננומטרי של חומר מוליך למחצה שנקרא Quantom Dot.
בננו-גבישים האלה רמות האנרגיה בדידות, בדומה לאטום המימן, והאלקטרונים בגביש יכולים לעבור מרמה אחת לשנייה על ידי קליטה או פליטה של אנרגיה. בכל המעברים האלו פרט לראשון (מרמת היסוד לרמה המעוררת הראשונה), האנרגיה שנפלטת היא חום ורק במעבר הראשון ייפלט פוטון. לכן אפשר לעורר את הננו-גביש לרמה אנרגטית כלשהי, ואפילו לרמה גבוהה מאוד, ובכל זאת הגביש יפלוט רק פוטון אחד כשיחזור לרמת היסוד.
השיטה הזאת פשוטה יותר מכיוון שאין צורך לסנן ולבדוק את הפוטונים. מאירים את הננו-גביש באור לייזר באורך גל מתאים וכך מעוררים את האלקטרונים לרמה גבוהה יותר. כשהאלקטרונים בגביש חוזרים למצב היסוד הם פולטים פוטון אחד בכל פעם.
נקודות קוונטיות בתמיסה | צילום: Antipoff, ויקיפדיה
בומרנג – בחזרה אלייך
בתמונה שלמעלה רואים נקודות קוונטיות בתמיסה. מדוע לכל בקבוק יש צבע שונה?
חגי אדרי
המחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
