חוקי מכאניקת הקוונטים מולידים תופעות מפתיעות, אשר לעיתים נדמה כי הן עומדות בניגוד להגיון, ואכן כך מאחר ואותו "הגיון" של כולנו, נובע מההתבוננות שלנו בעולם אשר לרוב מציית לחוקי המכאניקה הקלאסית.
הכתבה שלפניכם תסקור תופעה אחת כזו, אשר נראית מפתיעה למדי. תופעת הEIT "שקיפות מושרת אלקטרומגנטית" (EIT - Electromagnetic induced transparency).
תחילה נסביר את התופעה. כפי שכולנו יודעים חומרים שונים עשויים להיות שקופים, כלומר להעביר אור, או עכורים, כלומר להחזיר אור. כמובן שחומר מסוים עשוי להעביר אור רק בצבעים מסוימים ולהחזיר צבעים אחרים.
תופעת EIT הינה תופעה בה גז, אשר מפזר לחלוטין אור מצבע מסוים, נהפך להיות שקוף לאותו אור, כאשר מואר עליו אור אחר, בצבע שלישי, בתנאי שכל מקורות האור הינם מקורות אור קוהרנטיים, כגון לייזרים.
על מנת להתחיל ולהבין תופעה זו נחשוב מה הסיבה שהגז יפזר אור בצבע מסוים. על מנת להבין זאת יש לזכור שני דבירם. דבר ראשון, כי הגז מורכב מאטומים בודדים וזהים. דבר שני כי האור אינו מגיע באופן רציף אל גז האטומים, אלא במנות קבועות של אנרגיה, הפוטונים, כאשר האנרגיה של כל פוטון נקבעת על פי התדר של האור, כלומר על פי הצבע שלו.
לאטומים שבגז, בדומה לכל מערכת, קימות מספר רמות אנרגיה אפשריות (באטומים המשמעות לרוב הינה בפונקצית הגל של האלקטרונים הסובבים את הגרעין, מבחינה קלאסית ניתן לדמיין זאת כמרחק האלקטרונים מהגרעין, והתנע הזוויתי שלהם). בשגרה, נמצא האטום ברמת היסוד שלו (נקרא לה רמה 1) - הרמה בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר.
במידה וקימת רמת אנרגיה נוספת, נקרא לה רמה 2, אשר הפרש האנרגיה בינה לבין רמה 1, זהה לאנרגיה שנושא כל פוטון מן האור המקורי , יכול האטום לקלוט פוטון זה, ולעלות לרמה 2. לאחר זמן מה יפלוט האטום באופן ספונטני פוטון אחר באותו הצבע, לכיוון אקראי כלשהו ויחזור לרמה 1. בתהליך זה נקלטים פוטונים מן אלומת האור המקורית, ונפלטים פוטונים בכיוון אקראי לחלוטין, ועל כן הגז יפזר את האור.
כעת ננסה לחשוב כיצד הארת אור נוסף, נכנה אותו אור משני, יכול למנוע מתהליך זה להתרחש. אם העולם היה מציית לחוקי המכאניקה הקלאסית, לא הייתה כל דרך לעשות זאת. תופעה זו הינה תופעה קוונטית לחלוטין, ומקורה בתופעת ההתאבכות. תופעה זו הינה תופעה המוכרת, בעיקר מן הניסוי המפורסם - ניסוי שני הסדקים.
בניסוי זה יורים תחילה אלקטרון דרך חריץ בקיר אל עבר מסך, מודדים להיכן יכול האלקטרון להגיע, ומגלים כי הוא מגיע לכל המסך. לאחר מכן מוסיפים חריץ נוסף בקיר, וכעת למרות שלכאורה רק נוספו מסלולים אפשריים לכן מבחינה קלאסית הינו חושבים שהסיכוי שהאלקטרון יגיע אל כל נקודה במסך רק יגדל, אנו מגלים כי קימת תבנית התאבכות על המסך, ישנם אזורים אליהם האלקטרון לא יכול להגיע כעת, וישנם אזורים, אליהם הסבירות שהאלקטרון יגיע גדלה.
הסיבה לכך נעוצה בעובדה, שאם למערכת ישנם מספר מסלולים היכולים להביא אותה למצב כלשהו בסיכוי מסוים, בניגוד למה שאנו חושבים תחילה, הסיכוי שלה להגיע למצב זה אינו סכום הסיכויים של כל אחד מן המסלולים. בפועל המסלולים השונים יכולים להפריע זה לזה ולהקטין, ואף לאפס את הסיכוי להגיע למצב הסופי (התאבכות הורסת) או לעזור זה לזה ולהגדיל את הסיכוי להגיע למצב הסופי(התאבכות בונה). המצב אליה המערכת מנסה להגיע אינו חייב להיות מיקום פיזי כמו במקרה של האלקטרון בניסוי שני הצדדים. במקרה שלנו, מצב זה יהיה רמת האנרגיה השנייה של האטום.
כזכור, הסיבה לפיזור אור על ידי הגז הינה עקב קליטת פוטונים, ומעבר של אטומים לרמת אנרגיה 2. אם נוכל לייצר מסלול נוסף באמצעותו האטומים יוכלו להגיע לרמת אנרגיה 2, כך שהוא יתאבך בצורה הורסת עם המסלול שתיארנו לעיל, נוכל למנוע מעבר זה, פוטונים לא יקלטו, והגז יהפוך לשקוף עבור אור בצבע המקורי.
יצירת מסלול זה הינה אפשרית, אם באטום קימת רמת אנרגיה נוספת, אותה נכנה רמה 3, הממוקמת נמוך במעט מרמה 2. כל עוד אנו מאירים אך ורק באור המקורי רמה זו אינה מעניינת, אומנם האטום יכול להגיע לרמה 2 ואז לפלוט פוטון בצבע אחר (המתאים להפרש האנרגיה בין רמה 2 ורמה 3) ולרדת לרמה 3, אולם משם אין לו שום דרך לחזור לרמה 2 בלי לעבור ברמת היסוד, ולכן כשלעצמה רמה זו לא יוצרת מסלול נוסף.
אולם, במידה ובנוסף לאור המקורי, נאיר גם באור משני, אשר צבעו מכוון כך שהאנרגיה של הפוטונים זהה להפרש האנרגיה בין רמה 2 לרמה 3, יקרו שני דברים
א) לאחר שהאטום קלט פוטון מן האור המקורי ועלה לרמה 2, יגדל הסיכוי כי הוא ירד דווקא לרמה 3 ולא בחזרה לרמת היסוד
ב) לאחר שהאטום יחזור לרמה 3, הוא יוכל לקלוט פוטון מן האור המשני, ולחזור לרמה 2.
והנה, נוצרו שני מסלולים שונים דרכם יכול האטום להגיע לרמה 2
1) בליעה של פוטון מן האור המקורי ומעבר מרמה 1 אל רמה 2
2) בליעה של פוטון מן האור המקורי ומעבר מרמה 1 אל רמה 2, פליטה ספונטנית של פוטון ומעבר לרמה 3, בליעה של פוטון מן האור המשני, ומעבר לרמה 2.
מצב זה של רמות האנרגיה ותדירויות הלייזרים מכונה מצב למבדא. ניתן לראות בקלות כי ישנם שתי קונפיגורציות נוספות, בהן באמצעות שני לייזרים ושלוש רמות אנרגיה ניתן ליצור שני מסלולים שונים מאחת הרמות אל השנייה (וראו תמונה 2)
הסיבה לשימוש בלייזרים הינה שהם מקורות אור קוהרנטיים, בעלי פאזה מוגדרת היטב. מאחר ומקורות האור הינם שכאלו, ניתן לתאם אותם, כך ששני המסלולים שתיארנו לעיל יתאבכו התאבכות הורסת, כלומר יפריעו זה לזה, ויקטינו עד מאוד, ואפילו יאפסו את הסיכוי של האטום לקלוט פוטון ולהגיע לרמה 2.
התוצאה ברורה, אם האטום לא יכול לקלוט פוטונים מן האור המקורי ולעבור לרמה 2, האור המקורי פשוט יעבור דרך הגז. הבלתי יאומן קרה, על ידי הארה באמצעות הלייזר המשני, הגז הפך בבת אחת מאטום, לשקוף עבור האור מן הלייזר המקורי.
תופעה זו הינה תופעה מרתקת המדגימה, עד כמה חוקי מכאניקת הקוונטים יכולים להוביל לתופעות אשר קלאסית לא הינו מצפים לראותם. תיאורטית הדבר פותח גם אופציה לשימוש מעשיים ברכיבים אלקטרואופטיים (לדוגמה, מפסק אשר יכול להעביר או לא להעביר אותו בצורה נשלטת).
ספקטרום הבליעה של גז האטומים
בקו כחול מקוקו מסומן ספקטרום הבליעה, כלומר איזה אור אינו עובר את גז האטומים. ניתן לראות כי בתדר/צבע מסיים (האמצעי בציור זה) ישנו פיזור גדול במיוחד של האור. זהו התדר שכונה בכתבה - התדר/צבע המקורי
בקו אדום - ספקטרום הבליעה לאחר שהופעל הלייזר המשני. ניתן לראות כי כתוצאה מהפעלת הלייזר המשני, לפתע ישנה ירידה חדה בפיזור האור בתדר המקורי, והוא עובר בקלות דרך גז האטומים.
קונפיגורציות שונות של רמות האנרגיה וצבע הלייזרים
בתמונה ניתן לראות 3 קונפיגורציות שונות המולידות לתופעת השקיפות. בכל תמונה מסומנות שלושת רמות האנרגיה, ושתי תדירויות הלייזרים - Wp הינה תדירות/אנרגיית האור המקורי וWc הינה תדירות/אנרגיית האור המשני.
מימין למעלה קונפיגורצית Ladder - בה רמה 3 נמצאת מעל רמה 2, ולכן לאחר שהאור המקורי מוביל את האטום לרמה 2, על האטום לקלוט פוטון מן האור המשני על מנת לעלות לרמה 3, ולאחר מכן הוא יורד בחזרה לרמה 2 על ידי פליטת פוטון
משמאל למעלה קונפיגורצית Vee בה תדירות האור המשני מתאימה להפרש האנרגיה בין רמה 1 לרמה 3 (ולא בין רמה 2 לרמה 3). לכן המסלול הנוסף הנוצר כאן הוא רמה 1 אל רמה 3 בחזרה לרמה 1 ומשום לרמה 2.
ולמטה קופניגורצית למבדא אשר תוארה בכתבה.
בכל התמונות מסומן גם סימון נוסף בו לא דנו המכונה X, וזהו הסיכוי לפליטה ספונטנית של פוטון בתדר שונה מזה של הלייזרים. קיום מסלול זה מפריע לתופעת השקיפות המושרית אולם אם הלייזרים חזקים מספיק השפעתו זניחה
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.
