גם פה וגם שם – סופרפוזיציה במעבדה

פיזיקאים גרמו - בעזרת שדה מגנטי סטטי - לאטום להיות בשני מקומות שונים באותו זמן

צוות פיזיקאים מקבוצת השבב האטומי באוניברסיטת בן-גוריון, ובהם הדוקטורנט שמעון מכלוף, החוקר ד"ר יונתן יפה ופרופ' רון פולמן, הצליח, בעזרת שדה מגנטי סטטי, לגרום לאטום להיות בשני מקומות בו זמנית. מצב "בלתי אפשרי" שכזה אפשרי בעולם המוזר המתואר על ידי תורת הקוואנטים. כדי להגיע לעולם הקוואנטי קרר הצוות את האטום לטמפרטורה של כ-100 ננו-קלווין (אחד חלקי עשרה מיליון המעלה מעל "האפס המוחלט"!), שהיא הטמפרטורה הקרה ביותר הידועה למין האנושי בטבע או במעבדה.

המאמר שמתאר את הניסוי המאוד מורכב הזה פורסם לאחרונה בעיתון Nature Communications. יצירת המצב המוזר – מצב של סופרפוזיציה מאפשרת הצצה נדירה לתוך העולם הקוואנטי ועקרונותיו. מֵעבר למחקר הבסיסי בתחום הכולל את אחת משתי המהפכות הפיזיקליות של המאה ה-20, מאפשר מצב הסופרפוזיציה פיתוחים טכנולוגיים, כגון מערכות ניווט אינרציאליות (מערכת ניווט עצמאית שאינה זקוקה לאות חיצוני כמו שזקוקה לו למשל מערכת הג'י.פי.אס, אלא עובדת על בסיס מדידה ואינטגרציה של תאוצות), או מערכות למדידת ערכו של שדה הגרביטציה (למשל, עבור חיפושי מים ונפט) ברגישות חסרת תקדים. סופרפוזיציה מרחבית היא מצב שבו חלקיק קוואנטי יחיד נמצא בשני "עותקים" (או יותר) המתקיימים במקומות שונים באותו הזמן.

רק בעולם המופלא של תורת הקוואנטים יכול אטום להיות בשני מקומות בו זמניתצילום: שאטרסטוק
רק בעולם המופלא של תורת הקוואנטים יכול אטום להיות בשני מקומות בו זמנית
צילום: שאטרסטוק

יחס בין עותקים

במצב מיוחד זה העותקים השונים שומרים על יחס מיוחד ביניהם, הקובע את תכונות החלקיק כאשר העותקים נפגשים שוב. יחס זה, הנקרא "פאזה", רגיש מאוד לכוחות הפועלים בסביבת העותקים, וכך עשוי לשמש למדידה מדויקת ביותר של כוחות כאלה. רגישות זו מאפשרת, כאמור, פיתוח יישומים טכנולוגיים מגוונים, וכן מאפשרת מחקר מדויק של יסודות תורת הקוואנטים, כמו גם חיפושים אחר כוחות חדשים ופיזיקה חדשה.

צוות המחקר קרר ענן בן כ-10,000 אטומים במצב גזי, וגרם לכל הענן להיכנס למצב של סופרפוזיציה, כך שכל אטום בענן נכנס למצב הסופרפוזיציה. 10,000 האטומים קוררו למצב של התעבות בּוֹז (Bose)-איינשטיין  (מצב חומר חדש, שאותו חזו איינשטיין ובוז לפני שנים רבות. רק בסוף המאה ה-20 הצליחו להשיג מצב כזה, שבו כל החלקיקים שבצבר נמצאים באותו מצב קוואנטי. מצב זה הוא נדיר, מכיוון שגם שינויים מאוד קלים במיקום או באנרגיה של החלקיק משנים את המצב הקוואנטי שלו). קירור קיצוני שכזה זיכה את המדענים אריק קורנל, קארל וויינמן ווולגנג קטרלה מארצות-הברית בפרס נובל (2001).

יש לציין כי גם הכנסת אטומים למצב של סופרפוזיציה כבר בוצעה בעבר. החידוש בעבודה הנוכחית הוא השימוש שנעשה בשדות מגנטיים סטטיים. ב-1921 גילו מדענים כי האלקטרון, וכך גם האטום שבתוכו הוא נמצא, הם מגנטים קטנים, וכי שדות מגנטיים סטטיים יכולים להפעיל עליהם כוח (אפקט שטֶרן-גֶרלָך, Stern-Gerlach). מיד עם גילוי התופעה היה ברור כי יהיה אפשר להשתמש בה כדי ליצור מצב של סופרפוזיציה, אך המדענים הבינו המדענים כי הדבר יהיה קשה מאוד לביצוע. ואכן, כמעט 100 שנים של ניסיונות העלו חרס. בעזרת כמה שינויים שהכניס ברעיון המקורי, הצליח עתה צוות המחקר של אוניברסיטת בן-גוריון בביצוע המשימה.