אחת מהתחזיות המעניינות של מכניקת הקוונטים, הינה כי הוואקום, הריק, אינו ריק כפי שנדמה לנו. בתוך הריק, נוצרים ונהרסים כל העת חלקיקים "וירטואליים". אחת מן התוצאות של אפקט זה, הינה "שדה האפס". גם בהעדר מקור קרינה אלקטרומגנטית, תמיד קיים שדה אלקטרומגנטי, המכונה שדה האפס (Zero point field). אשר ערכו משתנה בזמן ובממוצע מתאפס.
קיומו של שדה האפס מוביל למספר אפקטים הניתנים למדידה. לאחרונה דיווחה קבוצת חוקרים, על הצלחה במדידה חדשה של אחד מן האפקטים הללו. החוקרים, הרכיבו אטום מלאכותי - מערכת קוונטית לה שתי רמות אנרגיה שונות, כלומר שתי רמות עם פער אנרגיה ביניהן, ומיקומו אותו במרכז של מהוד אלקטרומגנטי, המאפשר רק לשדה אלקטרומגנטי בתדירות ספציפית להתקיים בתוכו.
תדירות השדה האלקטרומגנטי קובעת את אנרגית הפוטונים הנושאים את השדה. כאשר התדירות מתואמת כך שאנרגית הפוטונים שונה מאוד פער האנרגיה של ה"אטום", לא מוחלפת אנרגיה בין האטום לקרינה, והקרינה משפיעה באופן שונה על האטום, ומביאה לשינוי פעם האנרגיה של האטום.
שינוי זה תלוי בשני גורמים:
א) מספר הפוטונים שבמהוד. ככל שיש יותר פוטונים, השינוי יגדל.
ב) עד כמה רחוקה אנרגית הפוטונים מפער האנרגיה המקורי של האטום
אך מה קורה אם אין פוטונים במהוד? הינו יכולים לחשוב כי במצב שכזה לא צריך להיות שום שינוי בפער האנרגיה של האטום, אולם בעקבות קיומו של "שדה האפס", גם במצב זה משתנות פער האנרגיה. כאשר אין פוטונים במהוד שינוי זה נקרא היסט לאמב. כאשר ישנם, הוא נקרא אפקט/היסט סטארק.
זה המקום לציין כי היסט לאמב כבר נמדד בעבר באטומים אמיתיים, כגון אטום המימד. הייחוד בניסוי החדש, הינו ביכולת השליטה של החוקרים על שני הפרמטרים הקובעים את ההיסט בפער האנרגיה של האטום. מצד אחד החוקרים יכלו לשלוט במספר הפוטונים שהוזרקו למהוד (ליתר דיוק בסטטיסטיקה של מספר הפוטונים במהוד), ומצד שני, המבנה המיוחד בו בחרו בתור "אטום מלאכותי", אפשר שליטה חיצונית בפער האנרגיה המקורי של האטום, בנוסף לכך המהוד אפשר רק לתדירות בודדת של קרינה אלקטרומגנטית להתקיים באזור האטום, ועל כן באמצעות שילוב שתי תכונות אלו יכלו החוקרים לשלוט גם בהפרש בין תדירות הקרינה, לפער האנרגיה של האטום. .
מצוידים ביכולות אלו החוקרים מדדו את ההיסט בפער האנרגיה, כפונקציה של ההפרש בין תדירות הקרינה לפער האנרגיה, וכפונקציה של מספר הפוטונים במהוד. החוקרים הצליחו להראות התאמה מעולה לתיאוריה, הן עבור היסט סטארק , כלומר המצב בו היו פוטונים במהוד, ןהן עבור היסט לאמב - גם כאשר לא היו פוטונים במהוד, שדה האפס של הקרינה שינה את פער האנרגיה של האטום, בהתאם לתיאוריה.
החוקרים הדגימו למעשה, בצורה שאינה משתמעת לשני פנים, כי שדה האפס משפיע על אטום מלאכותי בתוך מהוד אלקטרומגנטי. לאחרונה, נערך מחקר רב אודות האפשרות לעשות שימוש ב"אטומים מלאכותיים" ושילובם בתוך מהודים אלקטרומגנטיים במסגרת יחידות חישוב קוונטיות. הניסוי המתואר בכתבה זו, הדגים כי על מנת לעשות זאת, יאלצו החוקרים לקחת בחשבון את השפעת שדה האפס על האטום בחישוביהם.
תיאור של מהוד אלקטרומגנטי ואטום מלאכותי במרכזו.
א) המבנה הכללי של המהוד. קירות המהוד עשויים מחומר על מוליך. מבנהו המיוחד של המהוד מאלץ תדירות בודדת של השדה האלקטרומגנטי.
ב) הגדלה של מרכז המהוד. גם כאן ניתן לראות את מבנהו הפיזי המיוחד של המהוד. במרכז אזור זה ממוקם האטום המלאכותי, במקום בו השדה האלקטרומגנטי מקסימלי, ועל כן האטום מצומד אליו באופן מיטבי
ג) האטום המלאכותי בהגדלה מרבית
תמונה זו לקוחה מתוך מערכת ניסיונית דומה למערכת שעליה בוצעה הניסוי שהוסבר לעיל. תמונה זו פורסמה ב Nature 445, 515
בבליוגרפיה
- Resolving Vacuum Fluctuations in an Electrical Circuit by Measuring the Lamb Shift
A. Fragner, M. Göppl, J. M. Fink, M. Baur, R. Bianchetti, P. J. Leek, A. Blais, A. Wallraff, Science, 332 1357
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
