מקצבי אלקטרונים חושפים את פעימות הלב של מכניקת הקוונטים

אפקט Kapitza-Dirac משמש להצגת אבולוציה זמנית של גלי אלקטרונים.

זו הייתה אחת ההפתעות הגדולות ביותר בתולדות המדע: בימיה הראשונים של הפיזיקה הקוונטית לפני כ-100 שנה, חוקרים גילו שהחלקיקים המרכיבים את החומר שלנו תמיד מתנהגים כמו גלים. בדיוק כפי שאור יכול להתפזר בחריץ כפול ולייצר דפוסי פיזור, אלקטרונים יכולים גם להציג אפקטים של הפרעות. ב-1933 הוכיחו שני התיאורטיקנים פיוטר קפיטזה ופול דיראק שקרן אלקטרונים אף מבוטלת מגל אור עומד (בשל תכונות החלקיקים) וכי יש לצפות להשפעות הפרעות כתוצאה מתכונות הגל.

אפקט קפיצה-דיראק מומחז

צוות גרמני-סיני בראשות פרופסור ריינהרד דורנר מאוניברסיטת גתה פרנקפורט הצליח להשתמש באפקט Kapitza-Dirac הזה כדי לדמיין אפילו את ההתפתחות הזמנית של גלי האלקטרונים, הידועה כפאזה הקוונטית של האלקטרונים. החוקרים הציגו כעת את תוצאותיהם בכתב העת מַדָע.

"זה היה חוקר דוקטורט לשעבר במכון שלנו, אלכסנדר הרטונג, שבנה במקור את מנגנון הניסוי", אומר דורנר. "לאחר שעזב, קאנג לין, עמית אלכסנדר פון הומבולדט שעבד בצוות פרנקפורט במשך 4 שנים, היה מסוגל להשתמש בו כדי למדוד את אפקט Kapitza-Dirac התלוי בזמן." לשם כך, היה צורך להמשיך ולפתח גם את התיאור התיאורטי, מכיוון שקפיטזה ודיראק לא לקחו בחשבון את האבולוציה הזמנית של שלב האלקטרונים במיוחד באותה תקופה.

טכניקות ניסוי מתקדמות

בניסוי שלהם, המדענים בפרנקפורט ירו קודם כל שני פולסי לייזר קצרים מכיוונים מנוגדים בגז קסנון. בנקודת ההצלבה, פעימות הפמטו שנייה הללו – פמט שנייה היא רבעון (מיליונית מיליארדית) השנייה – הפיקו שדה אור חזק במיוחד למשך שברירי שנייה. זה קרע אלקטרונים מאטומי הקסנון, כלומר יינן אותם. זמן קצר מאוד לאחר מכן, הפיזיקאים ירו זוג שני של פולסי לייזר קצרים לעבר האלקטרונים ששוחררו בדרך זו, שיצרו גם גל עומד במרכז. פולסים אלו היו מעט חלשים יותר ולא גרמו ליינון נוסף. עם זאת, הם היו מסוגלים כעת ליצור אינטראקציה עם האלקטרונים החופשיים, שניתן היה לצפות בהם בעזרת מיקרוסקופ תגובה COLTRIMS שפותח בפרנקפורט.

ריינהרד דורנר (משמאל לימין), מרקוס שופלר, סינה ג'ייקוב, מקסים קוניצקי, טיל יאהנקה, אלכסנדר הרטונג, סבסטיאן אקארט. קרדיט: אוניברסיטת גתה

"בנקודת האינטראקציה, שלושה דברים יכולים לקרות", אומר דורנר. "או שהאלקטרון לא יוצר אינטראקציה עם האור – או שהוא מפוזר שמאלה או ימינה." על פי חוקי הפיזיקה הקוונטית, שלוש האפשרויות הללו ביחד מסתכמות להסתברות מסוימת המשתקפת בפונקציית הגל של האלקטרונים: המרחב דמוי הענן שבו כנראה האלקטרון – בהסתברות מסוימת – מתמוטט. כביכול, לפרוסות תלת מימדיות. כאן, ההתפתחות הזמנית של פונקציית הגל והשלב שלה תלויה בכמה זמן חולף בין יינון לרגע הפגיעה של צמד פעימות הלייזר השני.

"זה פותח יישומים מרגשים רבים בפיזיקה קוונטית. יש לקוות שזה יעזור לנו לעקוב אחר האופן שבו אלקטרונים הופכים מחלקיקים קוונטיים לחלקיקים נורמליים לחלוטין בתוך פרק הזמן הקצר ביותר. אנחנו כבר מתכננים להשתמש בו כדי לגלות יותר על ההסתבכות בין חלקיקים שונים שאיינשטיין כינה 'מפחיד'", אומר דורנר. כמו לעתים קרובות כל כך במדע, העמדת תיאוריות ותיקות למבחן שוב ושוב הייתה כדאית גם כאן.