אנחנו רגילים לחשוב על אור כעל כוח המסוגל להשפיע על חלקיקי חומר. למשל, אפשר לעצב קרן אלקטרונים באמצעות לייזר שיורים עליה. מחקר חדש שערכו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב חושף את הצד השני והיותר חמקמק של האינטראקציה: גם אלקטרון יכול להשפיע על האור שבקרבתו.
לדברי החוקרים, רתימת האפקט הקוונטי עשויה לאפשר בעתיד לספור אלקטרונים מבלי לבלוע אותם או להרוס את מצבם, ובכך לפתוח אפשרויות חדשות במיקרוסקופיה אלקטרונית ובחישה קוונטית. המחקר נערך על ידי ד"ר דינגגואו ז'נג וד"ר עופר כפיר מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת Science Advances.
אלקטרון שעובר דרך אור כלוא גורם לאור להרגיש מקדם שבירה גבוה יותר ולהתעכב, כאילו יש שם עוד חומר. התוצאה היא שעיכוב האור שזור קוונטית לאלקטרונים, אבל באופן עדין, בלי להרוס אותם
(איור: אוניברסיטת תל אביב )
לדברי החוקרים, החשיבות של המחקר הזה היא משום שהוא יכול להגביר מיקרוסקופים אלקטרוניים פי 10 או יותר. מיקרוסקופים שכאלו משתמשים באלומות אלקטרונים כדי להציג מבנים זעירים ברזולוציה שיכולה להגיע לרמה האטומית. הם אלו שמאפשרים, למשל, לקבל את תמונת הכדור הקוצני של נגיפים כמו הקורונה.
מיקרוסקופים כאלו קיבלו פרסי נובל על כך שהם מאפשרים להביט על מבנה של חלבונים לשימושי רפואה, או על חומרים מתקדמים לחיישנים או אלקטרוניקה עתידית. אבל בדיוק בחומרים חשובים אלו קשה להגיע לרזולוציה אטומית. הסיבה לכך היא שהאלקטרונים גם הורסים את החומרים עליהם הם מסתכלים. פה נכנסת לתמונה גישה חדשה – חישה קוונטית. אם היה ניתן להשתמש בתכונות המיוחדות של חלקיקים כמו של אלקטרונים, היה ניתן לקבל יותר מידע מכל אלקטרון. הרבה יותר מידע.
המסגרת הקוונטית שפיתחו החוקרים מראה כי אלקטרון החולף בסמוך לשדה אור גורם לו לשינוי מופע זעיר, שאותו הם מתארים כמעין "בעיטת נגד". כמו שאור לייזר מעצב את האלקטרון שעובר בו, גם האלקטרון בתגובה משנה את הלייזר. במונחים אופטיים, האלקטרון מוסיף לשדה האור מקדם שבירה זעיר. והרבה אלקטרונים מוסיפים מקדם שבירה גדול יותר. בנוסף, בפיזיקה הקוונטית מכונה סוג מדידה כזו כ"מדידה קוונטית לא-הרסנית". כך, מדידה של שינויים קטנים בקרן הלייזר יכולה לספור את כמות האלקטרונים שעברו דרכה. וכמה פשוט שזה נשמע – הספירה הלא הרסנית הזו מעניקה לקרן האלקטרונים תכונות קוונטיות.
ד"ר עופר כפירצילום: אוניברסיטת תל אביב ד"ר עופר כפיר אמר: "אנחנו אנשי אלקטרונים. עצבן אותנו שלכולם נוח שהאור משפיע על האלקטרון, בלי להיות מושפע בעצמו. משום שאנחנו גם חוקרי קוונטים, התחלנו להסתכל על השדה באופן קוונטי, וראינו שבאמת האלקטרון מותיר חותם באור, שיכול להיות מדיד. והבנו פה שפשוט פעולת הגומלין היא גם חלשה, וגם שהיא נעלמת כשמשתמשים במשוואות של לייזר קלאסי. אנחנו פועלים עכשיו עם שותפים בישראל ובחו"ל למדוד את האפקט בניסוי, והחלום שלנו הוא שניתן יהיה לפתח מיקרוסקופ בו החישה הקוונטית מסוגלת להוציא מאלקטרון אחד מידע שנדרשו עבורו עד היום 100 אלקטרונים. זה דרמטי. לדעתנו חומרים שאפילו לא חשבו עליהם כמשהו שניתן למדוד, פתאום יוכלו להיות ממופים ברזולוציה ננומטרית או של אטומים בודדים".
