יצאו מהקו

לחומרים שונים יש דרכים שונות להקדם במרחב. קרני אור למשל מתקדמות בתווך אחיד כגון אוויר או זכוכית בקווים ישרים, בעוד שאת מסלולם של חלקיקים טעונים כמו אלקטרונים אפשר לעקם על ידי הפעלת שדה חשמלי או מגנטי. בניסוי שנערך לאחרונה באוניברסיטת תל אביב ופורסם בכתב העת היוקרתי Nature Photonics, הראו החוקרים כי ניתן לפצל ולעקם גם את המסלול של אלומות אור באמצעות שימוש באלומת אור נוספת ובגביש לא ליניארי.

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ומבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי), ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

עדיין רלוונטי: מחקר בן 100 שנים מתורת הקוונטים

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי. הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

כעת, 100 שנים לאחר הניסוי המקורי, ביצעו החוקרים ניסוי מקביל באופטיקה, בו קרני אור פוצלו באמצעות אינטראקציה לא-לינארית (אינטראקציה בה קרני אור יכולות להשפיע אחת על השנייה). במסגרת הניסוי, השתמש צוות המחקר בגבישים  אופטיים לא ליניאריים. לטענתם, לרוב משתמשים בגבישים אלה כדי לבצע המרות תדר, כלומר קרן לייזר באורך גל (צבע) מסוים תהפוך לקרן באורך גל אחר.

ספין אלקטרוני

"בניסוי זה שלחנו שלוש אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב - אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה", מסביר פרופ' עדי אריה.

"אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה), והיא נעה ימינה, ובאלומה השנייה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי", הוא מוסיף.

לדבריו, אפשר גם להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. "לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול היות והקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

לסיכום, החוקרים מסבירים כי פיצול מרחבי של אורכי גל אינו דבר חדש. מנסרה, למשל, מאפשרת פיצול מרחבי של אורכי גל לזוויות שונות, ואולם פיצול זה הוא קבוע ומפריד כל צבע לכיוון אחד. בניסוי שהודגם במסגרת מחקר זה, הפיצול מאפשר להשתמש בשילוב אורכי גל, כתלות במופע ביניהם, ולשלוט בזווית הפיצול על ידי אלומת אור נוספת. לתופעה זו יש יישומים פוטנציאלים בתחומים של עיבוד אותות ותקשורת אופטית, תקשורת קוונטית,  חישוב קוונטי, חישה מדויקת ועוד. החוקרים מאמינים שהניסוי יהווה את נקודת הפתיחה לניסויים נוספים שמנצלים את ההקבלה בין מערכות של אלקטרונים בשדה מגנטי לבין מערכות אופטיות.

^{צוות המחקר}