איך מאטים את האור?

הזמן האהוב ביותר על לנה וסטרגור האו בכל השנה הוא ליל אמצע הקיץ, זמן שבו השמים בדנמרק מולדתה עוטים צבע כחלחל מתכתי והשמש נשארת מתחת לאופק רק כמה שעות ספורות. "אף פעם לא מחשיך באמת," היא אומרת בבוקר מאי אחד במשרדה שטוף השמש שבאוניברסיטת הרווארד. "יש לך לילות ארוכים, בהירים שכאלו.

זוהי תקופה נפלאה בשנה. לזה אני ממש מתגעגעת כאן." האו הגיעה לארה"ב לפוסט דוקטורט לפני עשרים שנה, זינקה אל תוך ממלכה חדשה של פיזיקה, הציתה ממלכה אחרת, ומאז היא שם, מאלצת את העולם לחשוב על איכויות האור בדרך אחרת.

מהירות גבוהה במידה בלתי נתפשת

מהירות האור - 299,792,458 מטרים לשנייה בריק - "היא מהירות גבוהה במידה בלתי נתפשת," אומרת האו. "אם יהיה אפשר לרסן אותה באופן כלשהו ולהביאה לסדרי גודל אנושיים, זה יהיה מפעים לחלוטין." וזה בדיוק מה שעשתה הפיזיקאית בת ה-47: היא אילצה את האור לשרך את דרכו, להצטבר לערמות ולהידחס לכלוב קטנטן, להישאר בצייתנות בכלוב הזה ואפילו להיעלם - ולהופיע מחדש במרחק כלשהו משם.

האור מאט כל הזמן: פוטונים העוברים דרך מים מאטים עד למהירות של כ-224,844,344 מטרים לשנייה, והם נעצרים ונעלמים כשהם פוגעים במשטחים אטומים. אבל לפני עבודתה של האו, האור מעולם לא האט עד ל-17 מטרים לשנייה, ובאותו אופן מעולם לא כבה ואז חזר לתחייה ללא פגע.

פוטונים נעים מהר ולמרחקים בלי לדעוך, ולכן דווקא בהם מתמקדים המחקרים לפיתוח מחשבים קוונטיים ולשיפור תקשורת אופטית. אי אפשר ליישם באופן ישיר את עבודתה של האו, בגלל שניסוייה נערכים בהתעבויות בּוֹזֶה-איינשטיין - צברים של אטומים בטמפרטורה נמוכה ביותר המתנהגים כקבוצה מתואמת אחת ענקית.

עם זאת, מחקרה נוגע בשורשי האתגר של שימוש באור לצורכי אחסנת מידע ועיבודו. על ידי עצירת האור "אנחנו מאחסנים ביט קוונטי. מבחינה רעיונית יש כאן בעצם סוג חדש של יחידת זיכרון," אומר סת לויד, פיזיקאי קוונטים מן המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).

האו, שזכתה במענק של "עמיתי מק'ארתור" ב-2001, לא תכננה להיות פיזיקאית נסיינית. הכשרתה הייתה במישור התיאורטי, למרות שבשנות ה-80, במולדתה דנמרק, ואחר כך במעבדות CERN שעל יד ז'נבה, היא עבדה על חומר מעובה.

"תוך כדי כך, גיליתי שאנשים התחילו להפעיל טכניקות חדשות העושות שימוש בלייזרים כדי לקרר אטומים לטמפרטורות נמוכות במידה קיצונית," היא נזכרת. ב-1988 נסעה האו לארה"ב כדי לפגוש חוקרים, לשאת הרצאות ולהשביע את תשוקתה "לראות אם הארץ הזאת היא באמת כמו בסרטים." והיא החליטה שהיא אכן כזו: גדולה, עם מכוניות גדולות ואנשים פתוחים ודברנים.

אחד מן הביקורים שערכה האו היה למכון רולנד בקיימברידג' שבמסצ'וסטס, מלכ"ר קטן שהתאחד עם הרווארד לפני חמש שנים. שם היא פגשה את הפיזיקאים מייקל ברנס וג'ין א' גולובצ'נקו. שניהם עודדו אותה לחקור חומר קר, למרות שאיש מהם לא עבד בתחום הזה, שבאותה עת היה בחיתוליו. "הייתי יכולה ללכת למקום יותר ממוסד, אבל היה נראה לי שזה יהיה צפוי מדי," סיפרה האו.

האו החלה לפתח שיטה להשגת אספקה קבועה של אטומי נתרן בריק. אז היא החלה לקרר את אטומי הנתרן שלה לכיוון האפס המוחלט, ובליל אמצע הקיץ של 1997 היא הכינה כמה התעבויות בוזה-איינשטיין - "גדולות ושמנות, כמו שצריך."

צורה זו של חומר הועלתה כהשערה אך מעולם לא נוצרה עד ששלושה מדענים - כעת חתני פרס נובל - הצליחו ליצור אותה ב-1995. האו התכוונה להשתמש באור כדי לחקור את תכונותיו של היצור החדש, אך אז החליטה במקום זאת להשתמש בהתעבות כדי לשחק באור. ב-1999, גילתה האו דבר שכעת הוא כבר ידוע ומפורסם: היא הקרינה אור לייזר על התעבות, וגרמה לפוטונים להזדחל בתוכה. "זה היה ניסוי מאוד מאוד רגיש, מכיוון שהוא ניצב ממש על גבולות האפשרי," היא מספרת.

וזה מה שקורה שם: ההתעבות מכילה אטומי נתרן המוחזקים במקומם על ידי שדה מגנטי ומוקרנים בלייזר "צימוד" שגורם להתעבות להיות שקופה לאור בתדירויות מסוימות.

כשפוטונים בתדירות זו, הנפלטים בפולס קצר של לייזר "בוחן"(probe) , פוגעים בהתעבות, הם מעוררים מצב קוונטי אפל. משמעות הדבר היא שאטומי הנתרן נכנסים למצב של חפיפה (סופרפוזיציה) - הם מצויים בשתי רמות אנרגיה בו-זמנית. ברגע שהפוטונים נפגשים באטומים הללו הם נשזרים (entangled) בהם. חזית פולס האור מאטה, הקצה האחורי של הפולס משיג את החזית והאור נדחס אפוא כמו אקורדיון אל תוך ההתעבות שעובייה 100 מיקרון.

לפני כן הצליחו בניסוי להקטין את מהירות האור פי 165 (לכ-1,816,923 מטרים לשנייה) בעזרת טכניקת השקיפות שבה השתמשה האו. אבל "האטת האור ל-17 מטרים לשנייה דחפה למאמץ מחקרי עולמי בכיוון הזה," אומר סטיבן א' האריס מאוניברסיטת סטנפורד, ששיתף פעולה עם האו והיה הראשון שהדגים את תופעת השקיפות המושרה על ידי אלקטרומגנטיות והאט בעזרתה אור בתחילת שנות ה-90. כיום חוקרים האטו אור בגזים חמים וכן בגבישים ובחומרים מוליכים למחצה בטמפרטורת החדר.

האטת אור הובילה את האו לעצירתו והנעתו מחדש. ב-2001 כיבו היא ועמיתיה את לייזר הצימוד וגילו שפולס האור בהתעבות נעלם; עם זאת, צורתו האופיינית, המשרעת והפאזה שלו נחקקו באטומי הנתרן. כשהדליקו מחדש את לייזר הצימוד, גרם פרץ האנרגיה הנכנס לאטומי הנתרן המוטבעים לעבור לרמת אנרגיה אחרת, ולשחרר תוך כדי כך פולס אור בדיוק באותה פאזה ומשרעת כמו זה שנשלח קודם לכן על ידי הלייזר הבוחן.

האור נכנס עם מידע, העביר את המידע לחומר ונעלם. ואז הפיק החומר אור עם אותו מידע בדיוק. "כך אנו שומרים מידע במערכת. זה לא סתם משהו אקראי שאין לנו שליטה עליו," אומרת האו.

איך זה פעל?

ב-2007, הצעידו האו ושני חוקרים ממעבדתה, נעמי ס' גינסברג ושון ר' גרנר, את העניינים צעד אחד קדימה כששידרו את מאפייני פולס האור מהתעבות אחת לאחרת. הם שלחו פולס מן הלייזר הבוחן אל ההתעבות הראשונה, שם, כצפוי, הוא האט. לאחר מכן הם כיבו את לייזר הצימוד.

פולס האור המקורי נעלם, אבל רק לאחר שהעביר את המידע על אודות המשרעת והפאזה שלו לאטומי הנתרן. אטומים אלו גם קיבלו תנע מן ההתנגשות הפוטונית, תנע שהדף אותם החוצה מן ההתעבות הראשונה, לאורך מרווח קצר אל תוך ההתעבות השנייה. ברגע שהגיעו האטומים - העתק חומרי של פולס האור הכבוי - הדליקו שוב את לייזר הצימוד. האטומים, הלהוטים להצטרף להתעבות השנייה, החליפו רמות אנרגיה ושחררו פוטונים בדיוק באותה פאזה ובאותה משרעת של הפוטונים שנכנסו להתעבות הראשונה.

האו ולויד מוסיפים שמשמעות העברת האור אל תוך החומר ובחזרה היא שאפשר לעבד מידע קוונטי. "בעיקרון, אור הלייזר הבוחן יישא מידע קוונטי לאורך מרחקים ארוכים בסיבים אופטיים," מסבירה האו. "ואז אם אתה רוצה לעשות לו משהו, אתה שומר אותו בחומר. אנחנו יכולים להשתמש בדינמיקות של החומר כדי לשנות מידע אופטי".

אינטראקציות של אור בתוך התעבות בוזה-איינשטיין הפיקו גם הן תופעות בלתי צפויות: למשל, סופות דמויות טורנדו בהתעבויות ניתזות לפעמים זו מזו כמו כדורי ביליארד, ולפעמים מאיינות זו את זו. "זה גן חיות שלם," אומרת האו בהתרגשות. "הניסויים מראים הרבה יותר פרטים ממה שהעלו החישובים".

ניסוייה הרבים של האו הרחיקו אותה גם השנה מן הכחול המיוחד של ליל אמצע הקיץ. אבל היא הביאה את סקנדינביה אל מערכת המעבדות החדשה שלה: הקירות צבועים צהוב וכתום, ויש הרבה עץ בהיר. "צבעים הם חשובים מאד," היא אומרת. "צבעים ואור, הם הדרך שבה אתה יכול לחוש עד כמה אתה מאושר." דומה שהאו והמשורר רוברט פרוסט שותפים בדעתם: "כי כל העניין היה האור הדולק / לא איכנס אם הוא לא יסתלק / הוא לא יסתלק עד שלא איכנס."

כתבה: קתלין דוהר. פורסם במקור במגזין Scientific American ישראל