לעצור את האור

אור נע מהר. מאוד מאוד מהר. כשהוא נע ברִיק אין מהיר ממנו. העובדה הזו לא מנעה מפיזיקאים לנסות להאט את האור ואפילו לעצור אותו למטרות מחקר ולפיתוחים טכנולוגיים חדשים. עם השנים פותחו דרכים שונות ומשונות לקדם את היעד הזה, בעיקר במטרה לשדרג ולשפר התקנים טכנולוגיים המבוססים על אור. מאמר חדש שפורסם לאחרונה מציע דרך יצירתית נוספת בעלת פוטנציאל יישומי, המבוססת על כליאת פוטונים – חלקיקי אור – בגבישי סיליקון דו-ממדיים.

אחת הדרכים להאט את האור: מלכודת מגנטית-אופטית לבלימת קרני אור באמצעות תכונות קוונטיות | איור: NASA / JPL-CALTECH / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אור מן העבר

כבר באמצע המאה ה-19, עם ניסוחן של משוואות מקסוול שמסבירות את האלקטרומגנטיות, למדו הפיזיקאים על קיומו של קבוע הטבע c. המשוואות האלה תיארו את השדה האלקטרומגנטי כגל, ו-c הייתה מהירות ההתקדמות שלו. אולם בשלב ההוא הפיזיקה לא ידעה להסביר איך ייתכן שמהירות יכולה להיות גודל מוחלט. הרי מהירות היא תמיד יחסית: אם מכונית מתקרבת לעברי ב-50 קמ"ש אפשר לומר באותה מידה שאני זה שמתקדם לעברה ב-50 קמ"ש.

את ההסבר סיפק ב-1905 אלברט איינשטיין. בתורת היחסות הפרטית הוא הסביר שגל אלקטרומגנטי אכן נע בריק במהירות מוחלטת, כ-300 אלף ק"מ בשנייה, ומה שיחסי הוא הזמן. מכיוון שאור הוא הגל האלקטרומגנטי המוכר ביותר, המהירות הזו מכונה מהירות האור. בחומר – למשל זכוכית – מהירות האור נמוכה יותר ממהירותה בריק, והיחס בין מהירות האור בריק לבין מהירותו בחומר נקרא מקדם השבירה של החומר.

האתגר: לעצור את הקרניים לזמן קצרצר, כדי להשתמש בהן במחשוב קוונטי, למשל. פוטונים במעבדת לייזר | צילום: luchschenF, Shutterstock

אור יקרות

בשנים האחרונות, כחלק מתהליך הפיתוח של טכנולוגיית המחשוב הקוונטי, הוצע להשתמש במחשבים האלה בפוטונים, כפי שמחשבים אלקטרוניים רגילים משתמשים באלקטרונים. ההבדל הוא משמעותי. בעוד אלקטרונים מתנגשים ללא הרף בחלקיקים המקיפים אותם ומאבדים אנרגיה, פוטונים הם חלקיקים חסרי מטען ולכן תנועתם בתוך הטרנזיסטורים שמהם מורכב מחשב קוונטי, היא חופשית יותר. עם זאת, גם הם צריכים לבצע אינטראקציה קצרצרה עם החומר, במקרה הזה אטומים שמונחים על שבבים, ולכן צריך למצוא דרך לעצור אותם להרף עין. וזה רק יישום אפשרי אחד לטכנולוגיה שתאפשר להאט את האור עד כדי עצירתו המלאה.

אחת הקבוצות שמובילות את תחום המחשוב הקוונטי הפוטוני פועלת במעבדתו של הפיזיקאי ברק דיין במכון ויצמן למדע. מטרתם היא לפתח מחשב קוונטי שיהיה מבוסס על האינטראקציה בין פוטון אחד לאטום רובידיום אחד שמונח על שבב. הצימוד בין הפוטון לאטום נעשה על ידי האטה של האור באמצעות מהוד – התקן אופטי, שבמקרה הזה צורתו מעגלית, ולכן מאפשרת לו לכלוא את הפוטון למיליונית שנייה ולאלץ אותו להסתובב במקום סמוך מאוד לאטום, כך שיש ביניהם אינטראקציה.

דרך נוספת להאט את האור היא להעביר אותו בתוך ענן קר מאוד של אטומים שהספין שלהם – תכונה פנימית מסוימת של חלקיקים – הוא מספר שלם (בוזונים). עיבוי כזה, שמכונה "עיבוי בוז-איינשטיין" (Bose-Einstein), יכול להיווצר בין השאר באטומי רובידיום ונתרן. הוא מתקיים בטמפרטורות נמוכות במיוחד הקרובות לאפס המוחלט, כלומר קרוב למינוס 273 מעלות צלזיוס. בעיבוי הזה כל האטומים נמצאים באותו מצב קוונטי – כלומר יש להם אותה אנרגיה, שהיא גם האנרגיה הנמוכה ביותר שהמערכת יכולה להימצא בה. כשחלקיקי אור פוגשים את הענן הקר הזה, האינטראקציות שלהם עם האטומים מאטות אותם עד כדי עצירה במקום.

עיבוי בוז-איינשטיין. ענן של חלקיקי רובידיום קרים מאוד (משמאל) נדחס לחלקיק צפוף אחד (במרכז) ומתאדה מיד (ימין) | מקור: SCIENCE SOURCE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אור חדש עולה – ועוצר

המחקר החדש, שראה אור בכתב העת Nature Photonics, מציע שיטה יצירתית לכלוא את הפוטונים באופן מבוקר ומתוחם. החוקרים השתמשו לשם כך בגבישים פוטוניים – התקנים אופטיים שמהווים מעין מוליכים למחצה, כלומר שבמצב מסוים הם מעבירים אלקטרונים באופן חופשי ובמצב אחר עוצרים בעדם. הגבישים שבהם הם השתמשו היו גבישי סיליקון (צורן) דו-ממדיים – יריעות שטוחות בעובי של אטום בודד, שמסוגלות לכלוא את הפוטונים באזורים מסוימים על גביהן.

הרעיון הגיע מתכונותיו של הגרפן – החומר הדו-ממדי הראשון שיוצר, המורכב משכבה אחת ויחידה של אטומי פחמן. בזכות המבנה הגבישי הייחודי שלו, הגרפן הוא מוליך למחצה: התצורה הבלתי טריוויאלית שלו כולאת את האלקטרונים מבחינה אנרגטית. אפשר להמשיל את זה למחסומים שהוצבו במקומות נבחרים באמצע כביש מהיר, או לבחירה של מדפים ספציפיים בספרייה. האלקטרונים נכלאים ברמות אנרגיה המכונות "רמות לנדאו", שמשקפות את האנרגיה האצורה בחלקיק טעון המסתובב בהשפעת שדה מגנטי. בין שכבות הגרפן דווקא לא נוצר שדה מגנטי, אך מכל בחינה אחרת התיאור הפיזיקלי של המערכת כולה זהה לזה של רמות לנדאו, כך שהאלקטרונים נוטים להיכלא ברמות האנרגיה הללו והחומר כולו נעשה מבודד – כלומר עוצר את זרם האלקטרונים.

החוקרים, מאוניברסיטת דלפט וממרכז המחקר AMOLF בהולנד, מציעים לקחת את המנגנון שמאפשר לגרפן לכלוא אלקטרונים ולהעתיק אותו לגביש הפוטוני וללכידת חלקיקי אור. במאמץ מכני הם עיקמו ושינו ברמה המיקרוסקופית את התבנית הרגילה של סידור האטומים בגביש הפוטוני. השינוי הזה אפשר להם לנעול את הפוטונים במקומם. אפשר להתייחס לאתרי העצירה האלה של חלקיקי האור כאל מעין רמות לנדאו פוטוניות, השקולות לרמות לנדאו האלקטרוניות בגרפן. גם כאן אין שדה מגנטי, אך התיאור הפיזיקלי של רמות לנדאו מתגלה ככלי שימושי.

איוולד ורהגן (Verhagen), מכותבי המאמר, מסביר כי השימוש בעיקרון, שהודגם במאמר על שבב, עשוי לתרום רבות לשלל יישומים. היכולת ללכוד אור ברמה הננומטרית ולעצור אותו כך שעוצמתו תגבר באופן דרמטי, לא רק במיקום יחיד אלא על פני כל המשטח הגבישי, יכולה לשנות מן הקצה אל הקצה את תהליכי הייצור והיעילות של התקנים ננו-פוטוניים, לייזרים ומקורות אור.