קבוצת מחקר מהטכניון מציגה 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. המחקר הוצג בכתב העת המדעי היוקרתי Nature.
"נקודות החושך" הן מעין "חורים" זעירים במבנה הגל, או מערבולות (הנקודה שבה עקב הסיבוב נוצר חלק חסר חומר). מדובר בתופעה נפוצה בטבע, ואנו פוגשים אותן בגלי הים, בזרמי אוויר בשמיים ואפילו בקפה. עוד בשנות ה-70 הועלתה תחזית תאורטית שאומרת כי מערבולות עשויות לנוע מהר יותר מהגל שבו הן נוצרות. כלומר, אפשרות בה המערבולת (לדוגמא בנהר) עוקפת במהירותה את זרם המים שבתוכו היא מתקיימת.
כעת מתברר כי תופעה זו אינה רק אפשרית, אלא היא קיימת. כך לפחות עולה מניבויים תאורטיים, וכעת גם על סמך ניסוי מדעי.
כיצד זה ייתכן? תורת היחסות של איינטשיין קבעה כי גבול המהירות של האור תקף רק לחומר בעל מסה ולאותות הנושאים אנרגיה או מידע. המערבולות שנמדדו בטכניון הן חסרות מסה ואינן נושאות אנרגיה ולכן אינן סותרות את ה"איסור" של תורת היחסות.
מערבולות האור האלה, מסבירים חוקרי הטכניון, הן מעין "נקודות אפס" או "שקעים" הנוצרים בתוך גלי האור. נקודות של חושך מוחלט.
התופעה האמורה נחזתה, כאמור, כבר בשנות ה-70 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 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 יותר 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.
את המחקר פורץ הדרך הובילו חוקרי הפקולטה להנדסת חשמל פרופ' עדו קמינר, הדוקטורנטים תומר בוכר ואלכסיי גורלך וד"ר שי צסס שכיום הוא פוסט-דוקטורנט ב-MIT.
"מעבר להצלחה ההיסטורית בתצפית הניסויית הספציפית, התגלית שלנו חושפת חוקי טבע אוניברסליים המשותפים לכל סוגי הגלים - החל בגלי קול וזרמי נוזלים ועד למערכות מורכבות של מוליכי-על", מסביר פרופ' קמינר. "פריצת הדרך הזו מעניקה לנו כלי טכנולוגי רב-עוצמה - היכולת למפות תנועה של תופעות ננומטריות עדינות בחומרים, הנחשפות בזכות שיטה חדשה 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.
טעינו? נתקן! אם מצאתם טעות בכתבה, נשמח שתשתפו אותנו