חוקרים באוניברסיטה העברית ובקורנל מצאו דרך לסנכרן ספינים של אטומים באמצעות אור במקום מיגון מגנטי, מה שעשוי לשפר חיישנים קוונטיים ומערכות זיכרון
חוקרים גילו דרך פשוטה אך עוצמתית להגן על אטומים מפני אובדן מידע – אתגר מרכזי בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות אמינות. באמצעות הקרנת קרן לייזר אחת, מכווננת בקפידה, על גז של אטומים, הצליחו לשמור על הספינים הפנימיים של האטומים מסונכרנים. כך הופחת קצב אובדן המידע באופן דרמטי.
בחיישנים קוונטיים ובמערכות זיכרון, אטומים מאבדים לעיתים קרובות את האוריינטציה המגנטית שלהם – או "הספין" – כתוצאה מהתנגשויות עם אטומים אחרים או עם דפנות המיכל שבו הם כלואים. תופעה זו, המכונה הרפיית ספין, מגבילה באופן משמעותי את היציבות והדיוק של מכשירים קוונטיים. שיטות מסורתיות להתמודדות עם הבעיה דרשו פעולה בשדות מגנטיים נמוכים במיוחד ושימוש במיגון מגנטי כבד ומסורבל.
השיטה החדשה עוקפת את המגבלות הללו. במקום להגן על המערכת באמצעות מגנטים, החוקרים משתמשים באור כדי לשנות בעדינות את רמות האנרגיה של האטומים. כך מיושרים הספינים של האטומים, והם שומרים על סנכרון גם כאשר הם בתנועה או בהתנגשות. התוצאה היא מצב ספין יציב יותר, עמיד מטבעו בפני אובדן קוהרנטיות.
בניסויים שנערכו עם אדי צזיום בטמפרטורות גבוהות, הצליחה הטכניקה להפחית את דעיכת הספין פי עשרה ולשפר בצורה משמעותית את הרגישות המגנטית של המערכת. זוהי הוכחה לכך שקרן לייזר אחת יכולה להאריך את זמן הקוהרנטיות של ספינים אטומיים, ולסלול את הדרך לחיישנים קוונטיים, מגנטומטרים והתקני זיכרון קומפקטיים, מדויקים ועמידים יותר.
המחקר בוצע על ידי צוות מהמחלקה לפיזיקה שימושית והמרכז לננו-מדע וננוטכנולוגיה של האוניברסיטה העברית, בשיתוף עם בית הספר לפיזיקה שימושית והנדסית באוניברסיטת קורנל. החוקרים חשפו שיטה עוצמתית להגנה על ספינים אטומיים מפני "רעש" סביבתי – צעד חשוב לשיפור הדיוק והעמידות של טכנולוגיות מתקדמות.
המאמר, שכותרתו "הגנה אופטית של אטומי אלקלי-מתכת מפני הרפיית ספין", נכתב על ידי אברהם בררבי, מרק דיקופולצב, פרופ' אורי כץ (האוניברסיטה העברית) ופרופ' אור כץ (אוניברסיטת קורנל). הוא פורסם בכתב העת Physical Review Letters וצפוי להשפיע על תחומים רבים התלויים בחישה מגנטית ובקוהרנטיות אטומית.
הספין הוא תכונה בסיסית של אטומים בעלי אלקטרונים לא מזווגים, כמו אלו שבאדי צזיום. תכונה זו הופכת את האטומים לרגישים במיוחד לשדות מגנטיים, ומשום כך הם משמשים למדידות מדויקות של שדות מגנטיים, גרביטציה ואפילו פעילות מוחית. אך הספינים שבריריים. גם הפרעה קטנה של דפנות המיכל או מאטומים שכנים עלולה לגרום להם לאבד את כיוונם – תהליך המכונה הרפיית ספין. עד כה, הגנה עליהם דרשה סביבות מוגנות מאוד.
החידוש של החוקרים הוא שימוש בקרן לייזר יחידה, מכווננת בדיוק, שמצליחה לסנכרן את תנועת הספינים גם בתוך שדה מגנטי. כך נשמר הסנכרון גם כאשר האטומים מתנגשים זה בזה או נתקלים בדפנות התא. זהו הישג משמעותי.
כדי להסביר את הרעיון, מדמים החוקרים את האטומים לסביבונים זעירים הנעים בתיבה. בדרך כלל, כאשר הם נתקלים זה בזה, תנועת הסיבוב שלהם משתבשת. הדבר נכון במיוחד בשדות מגנטיים גבוהים, בהם התנועה המגנטית מהירה יותר. אך כאן, קרן הלייזר שומרת על תיאום בין כל הסביבונים, ומונעת אי-סדר. כך נוצרה מערכת יציבה, הפועלת בהרמוניה גם בתנאים לא אידיאליים.
החוקרים מדווחים על שיפור פי תשעה במשך הזמן שבו אטומי הצזיום שמרו על כיוון הספין. ההגנה פעלה גם כאשר האטומים התנגשו בדפנות תא מיוחד, מצופה בשכבה המפחיתה הרפיה, וגם כשהם עברו התנגשויות פנימיות מרובות.
לשיטה יש פוטנציאל מעשי רחב. היא עשויה לשפר התקנים המבוססים על ספינים אטומיים, בהם:
חיישנים קוונטיים ומגנטומטרים, המשמשים ברפואה, ארכיאולוגיה וחקר החלל.
מערכות ניווט מדויקות שאינן תלויות ב-GPS.
מערכות מידע קוונטיות, בהן יציבות הספין היא תנאי הכרחי לאחסון ועיבוד.
יתרון חשוב נוסף הוא שהשיטה פועלת בטמפרטורות רגילות ואינה דורשת קירור עמוק או מיגון מורכב. לכן היא עשויה להיות שימושית יותר מגישות קיימות ליישומים מעשיים.
לדברי החוקרים: "גישה זו פותחת פרק חדש בהגנה על מערכות קוונטיות מפני רעש. באמצעות תנועה טבעית של אטומים ושימוש באור כמייצב, ניתן לשמר קוהרנטיות בתנאים מגוונים הרבה יותר משהיה אפשרי בעבר".
המחקר מבוסס על עשורים של התקדמות בפיזיקה אטומית. עם זאת, הפתרון שמציגים החוקרים – שימוש באור לסנכרון אטומים – הוא פשוט, אלגנטי ופורץ דרך. הוא עשוי לאפשר פיתוח של טכנולוגיות קוונטיות מדויקות, אמינות ונגישות יותר.
