קסם קוונטי: כיצד "סופר פוטונים" מעצבים את עתיד הפיזיקה

חוקרים מאוניברסיטת בון הוכיחו שפוטוני העל, או פוטון Bose-Instein מתעבה, תואם את משפטי הפיסיקה הבסיסיים, ומאפשר תובנות לגבי תכונות שלעתים קרובות קשה לצפות בהן.

בתנאים מתאימים, אלפי חלקיקי אור יכולים להתמזג לסוג של "סופר פוטון". פיזיקאים מכנים מצב כזה פוטון בוזה-איינשטיין עיבוי. חוקרים מאוניברסיטת בון הראו כעת שמצב קוונטי אקזוטי זה מציית למשפט יסודי של הפיזיקה. ממצא זה מאפשר כעת למדוד מאפיינים של עיבוי פוטון Bose-Einstein אשר בדרך כלל קשה לגשת אליהם. המחקר פורסם ב-3 ביוני בכתב העת תקשורת טבע.

אם אטומים רבים מתקררים לטמפרטורה נמוכה מאוד הכלואים בנפח קטן, הם יכולים להפוך לבלתי ניתנים להבחנה ולהתנהג כמו "חלקיק על" בודד. פיזיקאים קוראים לזה גם קונדנסט של Bose-Instein או גז קוונטי. פוטונים מתעבים על בסיס עיקרון דומה וניתן לקרר אותם באמצעות מולקולות צבע. מולקולות אלו פועלות כמו מקררים קטנים ובולעות את חלקיקי האור ה"חמים" לפני שיורקו אותם החוצה שוב בטמפרטורה הנכונה.

ניסוי עם סופר פוטונים בגזים קוונטיים

"בניסויים שלנו מילאנו מיכל זעיר בתמיסת צבע", מסביר ד"ר ג'וליאן שמיט מהמכון לפיזיקה שימושית באוניברסיטת בון. "הקירות של המכולה היו רעיוניים מאוד." לאחר מכן החוקרים ריגשו את מולקולות הצבע בלייזר. זה יצר פוטונים שקפצו קדימה ואחורה בין המשטחים הרפלקטיביים. כאשר חלקיקי האור התנגשו שוב ושוב במולקולות צבע, הם התקררו ולבסוף התעבו לגז קוונטי.

תהליך זה עדיין נמשך לאחר מכן, עם זאת, וחלקיקי הפוטון העל מתנגשים שוב ושוב במולקולות הצבע, נבלעים לפני שהם יורקים החוצה שוב. לכן, הגז הקוונטי מכיל לפעמים יותר ולפעמים פחות פוטונים, מה שגורם לו להבהב כמו נר. "השתמשנו בהבהוב הזה כדי לחקור אם משפט חשוב בפיזיקה תקף במערכת גז קוונטי", אומר שמיט.

הבנת משפט הרגרסיה בגזים קוונטיים

ניתן להמחיש את מה שמכונה "משפט הרגרסיה" הזה באמצעות אנלוגיה פשוטה: הבה נניח שפוטון העל הוא מדורה שלפעמים מתלקחת באופן אקראי חזק מאוד. לאחר שהאש בוערת בעוצמה רבה במיוחד, הלהבות דועכות לאט לאט והאש חוזרת למצבה המקורי. מעניין, אפשר גם לגרום לאש להתלקח בכוונה על ידי נשיפת אוויר לתוך הגחלים. במילים פשוטות, משפט הרגרסיה מנבא שהאש תמשיך להישרף באותו אופן כאילו ההתלקחות התרחשה באקראי. זה אומר שהוא מגיב להפרעה בדיוק באותו האופן שבו הוא משתנה מעצמו ללא כל הפרעה.

ניפוח אוויר לתוך אש פוטון

"רצינו לברר אם התנהגות זו חלה גם על גזים קוונטיים", מסביר שמיט, שהוא גם חבר באזור המחקר הטרנס-דיסציפלינרי (TRA) "אבני בנייה של חומר" ואשכול "חומר ואור למחשוב קוונטי" של מצוינות באוניברסיטת בון. לצורך כך, החוקרים מדדו תחילה את הבהוב של פוטוני העל כדי לכמת את התנודות הסטטיסטיות. לאחר מכן – באופן פיגורטיבי – נשפו אוויר לתוך האש על ידי ירי קצר של לייזר נוסף לעבר פוטון העל. ההפרעה הזו גרמה לו להתלקח לזמן קצר לפני שהוא חזר לאט לאט למצבו ההתחלתי.

הדגמת התנהגות לא לינארית במערכות קוונטיות

"הצלחנו לראות שהתגובה להפרעה העדינה הזו באה בדיוק באותה דינמיקה כמו התנודות האקראיות ללא הפרעה", אומר הפיזיקאי. "בדרך זו הצלחנו להוכיח לראשונה שמשפט זה חל גם על צורות אקזוטיות של חומר כגזים קוונטיים." מעניין שזה המצב גם בהפרעות חזקות. מערכות בדרך כלל מגיבות אחרת להפרעות חזקות יותר מאשר להפרעות חלשות יותר – דוגמה קיצונית היא שכבת קרח שתישבר לפתע כאשר העומס המופעל עליה הופך לכבד מדי. "זה נקרא התנהגות לא ליניארית", אומר שמיט. "עם זאת, המשפט נשאר תקף במקרים אלה, כפי שהצלחנו כעת להדגים יחד עם עמיתינו מאוניברסיטת אנטוורפן."

השלכות על מחקר בגזים קוונטיים פוטוניים

הממצאים הם בעלי רלוונטיות עצומה למחקר יסודי עם גזים קוונטיים פוטוניים מכיוון שלעתים קרובות לא יודעים כיצד בדיוק הם יהבהבו בבהירותם. הרבה יותר קל לקבוע כיצד הסופר פוטון מגיב להפרעה מבוקרת. "זה מאפשר לנו ללמוד על מאפיינים לא ידועים בתנאים מבוקרים מאוד", מסביר שמיט. "זה יאפשר לנו, למשל, לגלות כיצד חומרים פוטוניים חדשים המורכבים מפוטוני-על רבים מתנהגים בליבתם."

במחקר השתתפו המכון לפיזיקה שימושית באוניברסיטת בון, אוניברסיטת אנטוורפן (בלגיה) ואוניברסיטת פרייבורג. הפרויקט נתמך על ידי קרן המחקר הגרמנית (DFG), האיחוד האירופי (ERC Starting Grant), המרכז הגרמני לתעופה וחלל (DLR) וסוכנות המימון של בלגיה FWO Flanders.