האם יקיר אהרונוב יזכה בפרס נובל? 50 שנה לאפקט אהרונוב-בוהם

האם אהרונוב יזכה בפרס נובל בפיזיקה? כנס 50 שנה לאפקט אהרונוב-בוהם באוקטובר

הניחושים לקראת פרסי הנובל הם בעיצומם בסתיו עד להכרזה בתחילת אוקטובר. חברת רוייטרס תומסון הביטה בכדור הבדולח ונתנה רשימה של פיזיקאים שלדעתה עשויים לזכות השנה בפרס נובל בפיזיקה. הראשון ברשימה הוא פרופ’ יקיר אהרונוב:

Thomson Reuters Predicts the Nobel Prize in Physics

 

YAKIR AHARONOV
Professor, Department of Physics, Computational Science and Engineering, Chapman University, Orange, CA, USA; also, Emeritus Professor, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel, and University of South Carolina, Columbia, SC, USA (joint appointment) • Winner of the 1998 Wolf Prize and the 2006 EMET Prize in the Exact Sciences

 

אין כל ספק שהפרס מגיע לפרופ’ יקיר אהרונוב, כמובן על גילוי אפקט אהרונוב-בוהם המפורסם יחד עם דיויד בוהם בדיוק לפני 50 שנה – ראו הכנס באוניברסיטת תל אביב.

אחרי מלחמת העולם השניה, דיויד בוהם היהודי ממוצא הונגרי, נהפך לפרופסור בפרינסטון ועבד גם עם אינשטיין. אינשטיין אמר לדיויד בוהם ב-10 לפברואר 1954, “אם אלוהים יצר את העולם, דאגתו העיקרית הייתה בודאי לגרום לכך שהבנתו לא תהיה קלה עבורנו”. אין כל ספק שאפקט אהרונוב-בוהם נכלל בהגדרה זו.

אפקט אהרונוב-בוהם: הוא אפקט קוונטי-מכני טהור, כאשר אלקטרון או חלקיק טעון מושפע על ידי פוטנציאלים אלקטרומגנטים בהעדר שדות חשמליים או מגנטיים שמשפיעים על האלקטרון.

אם ניקח גוף טעון, משוואות התנועה הבסיסיות שלו מבוטאות במונחים של שדות מגנטיים וחשמליים. בתמונת העולם של הפיזיקה הקלאסית, בהעדר שדות אלה אין השפעה על הגוף. בפיזיקה מקבלים גדלים שקרויים “פוטנציאלים” שבעזרתם מחשבים את השדה החשמלי והמגנטי. עכשיו נעבור למכניקת הקוונטים. המשוואות הבסיסיות שמתארות את תנועת הגופים הן כבר שונות. ב-1959 יקיר אהרונוב ודיוויד בוהם גילו שהגדלים שקרויים פוטנציאלים הם בעלי תפקיד משמעותי בעולם הקוונטי, בניגוד למה שזה בעולם הקלאסי. הם הציעו שני ניסויים שבהם תכונות מסוימות של האלקטרון יהיו רגישות לשינויים בפוטנציאלים, וזאת אפילו כאשר לא היו בסביבה שדות מגנטיים וחשמליים שפעלו על החלקיקים הטעונים. העדר שדות אלה מבחינה קלאסית כאמור פירושו שאין כל כוח שפועל על החלקיקים. אבל בעולם הקוונטי עדיין ניתן לשנות את התכונות של האלקטרון. ניסוי ראשון: חלקיק טעון מושפע על ידי אזורים בעלי פוטנציאלים חשמליים שונים, זאת כאשר אין שדה חשמלי. ניסוי שני: המקרה הנפוץ ביותר הוא אפקט סולנואיד אהרונוב-בוהם: כאשר חלקיק טעון עובר סביב סולנואיד ארוך וחש בהזזת פאזה קוונטית כתוצאה מהשדה המגנטי הכלוא בו. וזאת למרות העדר כל שדה מגנטי באזור שדרכו החלקיק חולף. הזזת פאזה זו נצפתה ניסויית על ידי האפקט שלה על טבעות התאבכות. ניסויים אלה שעומדים בניגוד להגיון ידועים בשם אפקט אהרונוב-בוהם: הידע אודות השדה האלקטרומגנטי הקלאסי שפועל לוקאלית על החלקיק הוא לא מספיק כדי לנבא את ההתנהגות הקוונטית מכנית.

ראו המאמר המקורי של אהרונוב ובוהם:

Aharonov, Y. and D. Bohm, “Significance of electromagnetic potentials in quantum theory,” Phys. Rev. 115, 485–491(1959).

אפקט אהרונוב-בוהם עלה לכותרות השנה במרץ כאשר מחקר מאוניברסיטת וורוויק גילה ננו-טבעות אהרונוב-בוהם שמאטות ומקפיאות את האור. להלן הסיפור.

חוקרים מאוניברסיטת וורוויק בבריטניה גילו דרך להשתמש בנקודות קוונטיות בצורת סופגנייה (בעלת חור באמצע) כדי להאט ואף להקפיא את האור. בכך הם פתחו טווח רחב של אפשרויות החל מאפשרויות מחשוב ועד למה שקרוי “זכוכית מאטה”.

המפתח למחקר הזה הוא ה”עירור”: אלקטרון הועף לרמת אנרגיה גבוהה יותר על ידי פוטון, כאשר הוא מותיר חור או אלקטרון נוסף בקליפה סביב הגרעין של האטום. למרות מצב האנרגיה החדש הזה, האלקטרון נותר בזוג יחד עם אחד החורים או המיקומים שנותר פנוי על ידי האלקטרונים שנעו לרמת האנרגיה הגבוהה יותר. כאשר רמת האנרגיה הגבוהה יותר של האלקטרון דועכת שוב הוא נמשך חזרה לחור שאליו הוא קשור, כאשר שוב נפלט פוטון בתהליך.

מחזור זה בדרך כלל מתרחש מהר מאוד, אבל אם ניתן למצוא דרך להקפיא או לעקב עירור זה במקום למשך זמן מה, או אז ניתן לעקב את הפליטה מחדש של הפוטון ואפקטיבית ניתן להאט או אפילו להקפיא את האור.

החוקרים מאוניברסיטת וורוויק, שבראשם ד”ר אנדראה פישר וד”ר רודולף א. רואמר מהמחלקה לפיזיקה, בחנו את האפשרויות שהציבו בפניהם טבעות זעירות (בצורת סופגניות) של חומר שבמקרה הופקו במהלך היצור של נקודות קוונטיות. כאשר נוצרו נקודות קוונטיות זעירות אלה בגודל של בין 10 עד 100 ננומטר, הפיזיקאים גרמו לחומר להינתז בעוד הם יצרו את המשטח, כאשר הם השאירו את הטבעות של החומר בצורת סופגנייה. למרות שהן נוצרו במקרה, “ננו-טבעות אהרונוב-בוהם” אלה היו מקור חדש למחקר, ובמקרה הן היו בדיוק בגודל המתאים להכיל אקסיטון (זוג אלקטרון-חור קשורים על פי התיאור שלמלה).

אולם רק היות הננו-טבעות בגודל המתאים עדיין לא מאפשר להן להכיל אקסיטון לפרק זמן כלשהו. החוקרים מוורוויק גילו שבעזרת שילוב של שדות מגנטיים וחשמליים שמיושמים לננו-טבעות אלה הם למעשה יכולים פשוט לכוון את השדה החשמלי כדי להקפיא אקסיטון במקום או לגרום לו לקרוס ואז לפלוט מחדש פוטון.

חוקרים אחרים השתמשו בחומרים אקזוטיים כדי להאט דרמטית את מהלך האור והאטו את מהירות האור למהירות של 17ms-1 בגז אולטרא קר של אטומי נתרן, טכניקות שעושות שימוש בעיבוי אינשטיין-בוז. אולם הטכניקה של החוקרים מוורוויק הייתה הפעם הראשונה שבה נמצאה טכניקה שבאמצעותה ניתן היה לגמרי להקפיא ואחר כך לשחרר פוטונים בודדים כרצוננו.

Advertisements