האם החושך מהיר מן האור?
חוקרים בטכניון מדדו את מהירותן של "נקודות חושך" בתוך גלי אור – וכך אישרו ניבוי בן חמישים שנה
קבוצת מחקר מהטכניון מציגה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature הישג חסר תקדים במיקרוסקופיית אלקטרונים: מדידה ישירה של “נקודות חושך” בתוך גלי אור. מדידה זו מאשרת ניבוי משנות ה-70, לפיו מהירותן של אותן נקודות גבוהה ממהירות האור.
את המחקר פורץ הדרך, שפורסם כאמור בכתב העת Nature, הובילו חוקרי הפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש אנדרו וארנה ויטרבי פרופ’ עדו קמינר, הדוקטורנטים תומר בוכר ואלכסיי גורלך וד”ר שי צסס, שעשה את הדוקטורט במעבדה של פרופ’ גיא ברטל מהטכניון וכיום הוא פוסט-דוקטורנט ב-MIT.
“נקודות החושך” האמורות הן מעין “חורים” זעירים במבנה הגל, או מערבולות. מערבולות הן תופעה נפוצה בטבע, ואנו פוגשים אותן בגלי הים, בזרמי אוויר בשמיים ואפילו בקפה – כשאנחנו מערבבים אותו וכשאנו שופכים אותו לכיור. עוד בשנות ה-70 הועלתה תחזית תאורטית מפתיעה בנושא זה: מערבולות עשויות לנוע מהר יותר מהגל שבו הן נוצרות! אכן, מוזר – דמיינו מערבולת בנהר ה”עוקפת” במהירותה את זרם המים שבתוכו היא מתקיימת. ובכן, תופעה זו אינה רק אפשרית; היא קיימת – עד כה לפי ניבויים תאורטיים וכעת גם על סמך ניסוי מדעי.
כיצד זה ייתכן? הרי איינשטיין קבע שמהירות האור בריק היא גבול המהירות המוחלט. לא בדיוק; תורת היחסות קבעה כי גבול המהירות הזה תקף רק לחומר בעל מסה ולאותות הנושאים אנרגיה או מידע. המערבולות שנמדדו בטכניון הן חסרות מסה ואינן נושאות אנרגיה או מידע, ולכן אינן סותרות את ה”איסור” של איינשטיין.
ובכן, מהן אותן יישויות? מערבולות האור האלה, מסבירים חוקרי הטכניון, הן מעין “נקודות אפס” או “שקעים” הנוצרים בתוך גלי האור – נקודות שבהן משרעת הגל מתאפסת. בשפה ציורית יותר, אלה הן נקודות של חושך מוחלט.
התופעה האמורה נחזתה כאמור כבר בשנות ה-70 כתוצאה ישירה של התאבכות גלים אקראיים, ומאז נעשו ניסיונות רבים להדגים אותה באופן ניסויי. הצלחתם של חוקרי הטכניון מבוססת על בנייתה של מערכת מיקרוסקופיה ייחודית במיק”א – המרכז למיקרוסקופיית אלקטרונים בטכניון. קבוצת המחקר שילבה מערכת לייזר עם מערכת אופטו-מכנית מותאמת לתוך מיקרוסקופ אלקטרוני ושברה שיא בשילוב של רזולוציה זמנית ומרחבית. המערבולות, או “נקודות החושך”, נמדדו בחומר מיוחד (hBN) שהוכן על ידי פרופ’ חנן הרציג שיינפוקס מאוניברסיטת בר אילן. בחומר זה, גלי האור הופכים לגלי “אור-קול” מיוחדים (פולריטונים). אפשר לחשוב על גלים אלה כגלי אור הנעים לאט במיוחד (פי 100 לאט ממהירות האור בריק) או גלי קול הנעים מהר במיוחד (יחסית לגלי קול). דווקא בתוך הגלים ה”מואטים” האלה עשויות מערבולות האור “לזנק” ולחצות את מהירות האור.
מעבר להצלחה ההיסטורית בתצפית הניסויית הספציפית, מסביר פרופ’ קמינר, “התגלית שלנו חושפת חוקי טבע אוניברסליים המשותפים לכל סוגי הגלים – החל בגלי קול וזרמי נוזלים ועד למערכות מורכבות של מוליכי-על. פריצת הדרך הזו מעניקה לנו כלי טכנולוגי רב-עוצמה: היכולת למפות תנועה של תופעות ננומטריות עדינות בחומרים, הנחשפות בזכות שיטה חדשה (אינטרפרומטריה של אלקטרונים) לשיפור חדות התמונה. אנחנו מאמינים ששיטות המיקרוסקופיה החדשניות האלה יאפשרו לחקור תהליכים נסתרים בפיזיקה, בכימיה ובביולוגיה ולחשוף בפעם הראשונה כיצד הטבע מתנהג ברגעים המהירים והחבויים ביותר שלו.”
המדידה של ה’ריקוד’ המהיר של מערבולות האור מהווה השראה לנתיבי מדע חדשים עם השפעה על פיתוח טכנולוגיות מיקרוסקופיה, אופטיקה המבוססת על מבנים ננומטריים, חקר מוליכי-על, ושיטות קידוד של מידע קוונטי בחומרים.
במחקר תמכו האיחוד האירופי (תוכנית Horizon 2020) קרן מור (Moore Foundation) ומרכז הקוואנטום ע”ש הלן דילר בטכניון. דר’ ארתור נידרמאייר, הראל נהרי, פרופ’ קנגפנג וואנג, דר’ יובל אדיב, ותום לנקייביץ’, בהובלה של דר’ מיכאל ינאי בנו את מערכת הניסויי וביצעו את הניסויים. דר’ צ’ינג-הווי יאן ורון רוימי תמכו בניתוח התיאורטי.
פרופ’ עדו קמינר מהפקולטה להנדסת חשמל ע”ש אנדרו וארנה ויטרבי עומד בראש המעבדה לדינמיקה קוונטית של אלומות אלקטרונים ע”ש רוברט ורות מגיד.
למאמר המלא ב- Nature לחצו כאן
צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון
