לראות את האור

בחודש שעבר פורסם במגזין Physical Review Letters, אחד המגזינים המובילים בעולם בתחום הפיזיקה, מאמר יוצא דופן המתאר ניסוי המשלב בין אופטיקה זמנית לאופטיקה קוונטית. המאמר הוא תוצאה של שילוב כוחות שנערך פה בפקולטה להנדסה, בין פרופ' מוטי פרידמן, אחד החוקרים המובילים בעולם בתחום האופטיקה הזמנית, לד"ר אלי כהן, המתמחה בין השאר באופטיקה קוונטית, תחום החוקר את התופעות האופטיות שאותן אי אפשר לתאר בצורה קלאסית, כלומר באמצעות גלים בלבד, אלא נדרש לרדת לרמת הפוטון הבודד. "עוד לפני שהמאמר פורסם הנושא הוצג במספר כנסים בינלאומיים, באירופה ובארה"ב, וזכה לתגובות נלהבות," מספרים החוקרים. "אפילו השופטים של כתב העת כתבו לנו שזה קונספט מאוד חדשני ומעניין. לעיתים רחוקות מתקבלים דוחות חיוביים כל כך על מאמר  שמוגש לשיפוט בכתב עת יוקרתי".

הרעיון לפרויקט המשותף עלה לראשונה בכנס של מכון הננו של אוניברסיטת בר אילן שנערך ב-2019 בהרצליה, ושיתוף הפעולה ביניהם נרקם לאורך זמן. "את ההשראה לפרויקט שאבנו מעבודתו  של פרופ' אבי פאר מהמחלקה לפיזיקה של בר אילן, אשר מראה שאפשר להגדיל משמעותית ואף לנצל את רוחב הפס האופטי של פוטונים שזורים", אומרים החוקרים.

אינטרפרומטר הוא אמצעי אופטי יעיל ונפוץ, שמאפשר לאור להציג התאבכות, ומשתמש בה למטרות חישה מגוונות. אינטרפרומטר קוונטי מודד ברגישות גבוהה תכונות חשובות של אור והמערכת דרכה הוא עובר בדגש על הפאזה. "אנחנו שילבנו את תחום הידע של אינטרפרומטרים קוונטיים רגישים ורחבי פס, שבא מהאופטיקה הקוונטית, עם מחקר רב שנים שנעשה בקבוצה שלי, שם נחקרו רכיבים אופטיים שנקראים עדשות זמן", מסביר פרופ' פרידמן. "העדשות שמוכרות היטב מלימודי האופטיקה, וגם מחיי היום-יום, הן עדשות מרחביות: הן יכולות לקחת אלומה של אור ולרכז או לפזר אותה במרחב. הרכיב שאנחנו עבדנו עליו במשך שנים ופיתחו אותו נקרא עדשת זמן, והיא עושה את אותו הדבר אבל בזמן – היא יכולה לקחת פולס של אור ולכווץ או למתוח אותו בזמן, כלומר, להגדיל או להקטין את המשך שלו. בשנים האחרונות פיתחנו כל מיני התקנים שבוחנים פולסים דרך עדשות זמן באופטיקה קלאסית, וחקרנו אירועים קצרים מאוד בזמן. מי שעזר לנו להבין שהכלי הזה יכול להשתלב מצוין עם כלים והתקנים מתחום האופטיקה קוונטית היה אלי. בנוסף, הוא תיאורטיקן ואני נסיונאי, זה היה מתבקש שנעבוד ביחד".

ואכן, השניים פיתחו בצוותא את המודל התיאורטי של הרעיון, כמו גם את הניסוי בפועל. על בניית המרכיבים הופקדה שרה מאיר, שהייתה אז סטודנטית לתואר ראשון בשנה השנייה ללימודיה, והיום היא מסיימת את התואר השני ועומדת בפני לימודי דוקטורט בהנחייתו של פרופ' פרידמן. "במהלך העבודה על הפרויקט קיבלנו מענק של משרד המדע, ושרה קיבלה מלגה של נשים בהייטק, מה שאפשר למחקר הזה לצאת אל הפועל", אומרים השניים, ומציינים לטובה גם את התמיכה שקיבלו ממכון הננו ומהפקולטה להנדסה.

במסגרת הפרויקט המשותף נבנה במעבדה של פרופ' פרידמן אינטרפרומטר קוונטי מסוג חדש, שלא היה קיים עד היום. במקום שני גבישים לא לינאריים סטנדרטיים, כפי שנהוג, נעשה באינטרפרומטר זה שימוש בשתי עדשות זמן. "הניסוי הזה משלב למעשה אופטיקת סיבים ואופטיקה לא לינארית, והמימוש של עדשת זמן בוצע באמצעות סיבים מאוד לא לינאריים", מפרטים החוקרים: "כשבוחנים קרן אור נהוג להסתכל על העוצמה שלה, חזקה או חלשה, אבל קרן אור היא גל, יש לה גם פאזה, ואת הפאזה הזו מודדים באמצעות האינטרפרומטר. עם זאת, לכלי הזה יש מגבלות מסוימות, ואינטרפרומטר קוונטי מאפשר להתמודד עם המגבלות האלה ולמדוד ברגישות גבוהה יותר. אנחנו לקחנו את זה שלב אחד הלאה, והמצאנו מכשיר שמאפשר למדוד את הפאזה גם כאשר היא משתנה מהר מאוד".

הכלי שפיתחו השניים מאפשר, לראשונה, מדידה של גדלים פיזיקליים ושל אפקטים שעד היום לא ניתן היה למדוד אותם. "עם האינטרפרומטר הזה אפשר, למשל, לבדוק מה הפאזה שמתקבלת בפולס של לייזר כשהוא רק מתחיל לצאת מהמקור, או מה קורה כששני פולסים חזקים של אור "מתנגשים" ביניהם בתוך סיב אופטי. אלה שני אירועים אולטרה-מהירים שקשה מאוד למדוד אותם בצורות אחרות, בטח שלא את הפאזה שלהם", מסביר פרופ' פרידמן. "היום אנחנו מסוגלים, באמצעות הכלי הזה, לדבר לא רק על מה קורה לפאזה כששני פולסים שמתנגשים – אלא ממש ברמת הפוטונים, מה קורה לפאזה של פוטון כשהוא נוצר, או מה קורה לפאזה כששני פוטונים עוברים אינטראקציה".

"כשפיתחנו את הכלי דמיינו תהליך מהיר בכימיה או בביולוגיה שבמהלכו משתנה הפאזה של האור וכך ניתן ללמוד על התהליך", אומר ד"ר כהן. "המערכת ששרה בנתה במעבדתו של פרופ' פרידמן מכילה את השילוב בין הרגישות של אינטרפרומטר קוונטי, שמאפשרת לו לגלות פאזות שהן מאוד קטנות, עם עדשות הזמן, שמאפשרות למתוח את משך התהליך, גם אם מלכתחילה הוא מאוד מהיר. כתוצאה מכך, הכלי הזה מסוגל לחוש בצורה מדויקת שינויי פאזה מאוד מהירים, מה שמספק לנו את היכולת ללמוד על מצבים מיוחדים של אור, למשל לעשות טומוגרפיה של תהליכים קוונטיים חיצוניים שמשפיעים על האור. בעתיד, יכולות להיות לכך השלכות על יישומים מגוונים הקשורים לאור, ובהם גילוי, חישה, דימות ותקשורת".