דחיפה אנרגטית קלה לאלקטרון הכלוא באטום
כיצד אלומת אלקטרונים יכולה להגביר קרינת אור באמצעות התאמה קולקטיבית של פונקציות הגל הקוונטיות שלהם
אוניברסיטת תל אביב|הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן
החיים עצמם:
פרופ' אברהם גובר, נשוי, אב לשלושה ילדים, סב לנכד ולשתי נכדות. הוא מתעניין בפילוסופיה של המדע, חובב קריאה בתנ"ך, ועוסק בשימור זיכרון השואה, כבן לדור השני למשפחת שורדים.
כאשר אלפי אנשים צועדים על גשר בצעדים עצמאיים ואקראיים, הוא יחזיק מעמד, אבל כשאותם אנשים רוקעים ברגליהם בו זמנית – הגשר יתמוטט. באותה הדרך ניתן לתאר את הקרינה הסופר-בהיקה (SUPERRADIANCE) של אטומים מעוררים שמקרינים בתאום אחד עם השני. פרופסור אברהם גובר מאוניברסיטת תל אביב, הציע להשתמש בעקרון זה כדי למזער את לייזר האלקטרונים החופשיים (FEL) הזכור מתקופת תוכנית “מלחמת הכוכבים” של נשיא ארה”ב רונלד רייגן. הוא גם הצליח, יחד עם תלמידיו ושותפיו, לממש את התפיסה הזאת במתקן FEL סופר-בוהק לתחום תדרי טרה-הרץ שנבנה בשיתוף פעולה בין אוניברסיטאות תל אביב ואריאל.
מה השאלה?
כיצד למזער את לייזר "מלחמת הכוכבים"? ואיך זה קשור לעיצוב פונקציית הגל הקוונטית?
בסוף שנות ה-80 הביא פרופ’ גובר, מחלוצי המחקר והפיתוח של לייזרים בישראל, את טכנולוגיית ה-FEL לארץ, ויחד עם אילן בן צבי ויז’י סוקולובסקי ממכון ויצמן למדע ושותפי מחקר מרפאל וקמ”ג, הפכו את מאיץ הטנדם של מכון ויצמן ללייזר אלקטרונים חופשיים. ב-1997 הופעל לראשונה בישראל FEL, שפעל באורכי גל מילימטריים. מאוחר יותר הועבר המכשיר ממכון ויצמן למכללת אריאל. גובר ותלמידו מאוניברסיטת תל אביב – פרופ’ יוסי פנחסי הקימו באריאל מרכז ידע לאומי לתחום ה-FEL, פרויקט של משרד המדע המשותף לאוניברסיטאות תל אביב ואריאל.
מתקן לייזר של אלקטרונים חופשיים (FEL) סופר בוהק (SUPERRADIANT) לתחום תדר טרה-הרץ שנבנה במרכז המאיצים של אוניברסיטת אריאל בשיתוף פעולה עם פרופ’ אבי גובר ואוניברסיטה תל אביב.
לייזר FEL פועל בדרך של האצת אלקטרונים למהירויות גבוהות במאיץ חלקיקים והסחה שלהם באמצעות שדות מגנטיים, מה שגורם לפליטת קרינה אלקטרומגנטית מאלומת האלקטרונים. מתקן ה-FEL החדש פועל על עקרון ה-SUPERADIANCE שפיתחו גובר ותלמידיו. הוא מבוסס על מאיץ אלקטרונים לינארי פוטו-קטודי קומפקטי של 6 מיליון וולט. תלמידיו של גובר – איגור דיונין ואריאל נעוס ייבאו טכנולוגיה חדשה זו לארץ לאחר תקופת פוסט דוק ב-UCLA והתקינו את המאיץ באוניברסיטת אריאל. FEL סופר-בוהק זה פועל בתחום תדרי הטרה-הרץ במרכז המאיצים ע”ש שלזינגר וישרת משתמשי קרינה בתחום זה. בראש המרכז עומד פרופ’ אהרון פרידמן, תלמידו של פרופ’ גובר.
בשנים האחרונות, מחקריו של פרופ’ גובר, שזכו במענק מהקרן הלאומית למדע, התמקדו בהבנה פיזיקלית עמוקה יותר של אינטראקציות בין אור וחומר ברמה הקוונטית. בפרט, הוא בוחן את תופעת ה-SUPERRADIANCE ברמת התיאוריה הקוונטית. על פי תורת הקוונטים, האלקטרון מתואר כפונקציית גל מפולגת במרחב ולא כחלקיק נקודתי. עיצוב ואפנון של פונקציות הגל באלומת אלקטרונים אפשריים בטכנולוגיה חדשנית של חשיפת אלומת אלקטרונים לאור לייזר בתוך מיקרוסקופ אלקטרוני. גובר, יחד עם מורו פרופסור אמנון יריב, גרסו שהאפנון המתואם של פונקציות הגל האלקטרוניות מאפשר את הקרינה המוגברת הסופר-בהיקה של אלומת האלקטרונים. יתר על כן, לטענתם שיתוף פעולה כזה בין פונקציות גל אלקטרוניות מתואמות מאפשר גם אינטראקציה מוגברת עם מערכות קוונטיות בחומרים. בעקבות כך הם הציעו בשנת 2020 תופעה חדשה – FEBERI, ראשי תיבות של “FREE-ELECTRON BOUND-ELECTRON RESONANT INTERACTION”. התופעה מבוססת על אינטראקציה של חבילות גלים מעוצבות של אלקטרונים חופשיים בתהודה (רזוננס) עם הרמות הקוונטיות של אלקטרון קשור לאטום.
קרינה סופר-בהיקה (superradiance) של אלקטרונים שפונקציית הגל הקוונטית שלהם מאופננת בתדר אופטי. התמונה מראה את התפלגות פונקציית הגל הפוטונית ומאשרת במסגרת תיאורית אלקטרו-דינמיקה קוונטית שעוצמת קרינה זאת מתכונתית למספר האלקטרונים המקרינים בריבוע (קרינה רגילה מתכונתית למספר האלקטרונים).
עקרון ה-FEBERI נראה באיור: חבילת גלים מעוצבת מאופננת, העוברת בסמוך לאטום יכולה להעביר “דחיפה” אנרגטית קלה לאלקטרון הכלוא באטום, ומקבץ של אלקטרונים מרובים ומתואמים יכול להגביר מאוד את קצב המעבר. החוקרים משווים את ההתנהגות הזו לדחיפת נדנדה חוזרת ונשנית בתדר התהודתי שלה. מאחר שבמיקרוסקופ אלקטרונים אפשר לרכז אלומת אלקטרונים ברזולוציה אטומית (מה שלא ניתן באמצעות הארה בקרן לייזר), תופעת ה-FEBERI תאפשר לחקור מבנה קוונטי של חומרים והתקנים ננומטרים ברזולוציה אטומית, ואף לייצר שינויים וריאקציות כימיות באותה רמת רזולוציה. תהליך זה יכול לאפשר פיתוח יישומים מתקדמים במיקרוסקופיה, מחשוב קוונטי ובמחקר הפיזיקלי הבסיסי.
לאחרונה חזר פרופ’ גובר יחד עם שותפיו, לחקור את תופעת ה-SUPERRADIANCE של אלומת אלקטרונים ברמת התיאוריה של אלקטרודינמיקה קוונטית. בהבנת התופעה נותר מסתורין: כיצד האלקטרונים הנפרדים באלומה, אשר לעיצוב פונקציית הגל שלהם בנפרד אין משמעות, מצליחים “לשתף פעולה” כדי להביא לכלל ביטוי את העיצוב המשותף שלהם, וליצור באופן קולקטיבי את קרינת האור המוגברת?
החוקרים טוענים ששיתוף הפעולה מתאפשר באמצעות פונקציית הגל הפוטונית של האור שאותה כל האלקטרונים חווים, ואליה הם כולם “שזורים”. הם טוענים שהתפלגות פונקציית גל זאת ניתנת לצפייה ומדידה במעבדה, והיא חושפת את מנגנון שיתוף הפעולה וגם את התכונות הקוונטיות של האור המאפנן. התפלגות זאת טרם נמדדה, ובכוונת החוקרים להדגים מדידה ראשונה שלה במיקרוסקופ אלקטרונים, ובכך לסגור את מעגל ההבנה הבסיסית של תופעת ה- SUPERRADIANCE.
מחקריו של פרופ’ גובר לאורך השנים תרמו להבנה התיאורטית וליישום המעבדתי של תופעת הקרינה הסופר-בהיקה ב-FEL, ועל כך זכה בפרס ה-FEL הבינלאומי בשנת 2005.