06 ינו' 2019


מחקר חדש משנה את התפיסה הרווחת לגבי העברה אדיאבטית של אטומים במערכות רב-חלקיקיות.  ​​​חוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב מצאו כי איטיות-יתר בתהליכים אדיאבאטיים המתבצעים במערכות אטומים קרים, יכולה לחבל ביעילות התהליך, וזאת-בניגוד לתפיסה המקובלת.


​​

​תהליכים אדיאבטיים הם תהליכי יסוד בפיזיקה בהם מערכת מונחית ממצבה הראשוני אל מצב מטרה, על ידי שינוי איטי של גורמי בקרה שקובעים את מצב המערכת. אחד הפרוטוקולים המוכרים להנחיית מערכות קוונטיות בין מצבים נקרא Stimulat​ed Raman Adiabatic Passage (STIRAP). בפרוטוקול מסוג זה אפשר להשתמש, בין היתר, להזזת אטומים במרחב. אפשר להמחיש את התהליך הבסיסי בעזרת הדוגמא של העברת כוס תה גדושה ממקום למקום. התהליך צריך להתבצע באיטיות, כדי לא לגרום לאדוות שיובילו לשפיכת הנוזל. האיטיות של התהליך האדיאבטי מבטיחה לכאורה שלא יווצרו עירורים (אדוות) במערכת.

במאמר חדש, שהתפרסם בכתב העת המוביל Physical Review Letters, בוחנים פרופ׳ עמיחי ורדי  וד״ר אמיט דיי מהמחלקה לכימיה ופרופ׳ דורון כהן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטה, מה קורה כשמבקשים לבצע תהליך זה במערכות רב-חלקיקיות בטמפרטורה נמוכה. החוקרים מצאו שקיים שלב בתהליך בו המערכת  מתנהגת באופן כאוטי, גורם שהוזנח בפרדיגמה השלטת בתחום.  בשל קיומו של שלב זה, ובניגוד חד לדוגמת כוס התה, התהליך הופך ללא יעיל אם הוא נעשה באופן איטי מדי, כיוון שאז למערכת יש זמן לבצע ארגודיזציה ("להתבלגן").

אם כן, לפי החוקרים, המהירות האופטימלית של המעבר האדיאבטי, נקבעת מאיזון השאיפה לא ליצור עירורים חד-חלקיקיים, עם הדרישה לצליחה מהירה של השלב הכאוטי הרב-חלקיקי.

​החוקרים מציינים כי ממצא זה נוגע לתכנון התקנים ומעגלים המבוססים על תנועת אטומים קרים. תחום זה הקרוי ׳אטומטרוניקה׳  הוא חלק משדה נרחב ומתפתח של ׳טכנולוגיה קוונטית'. במוקד התחום  ניצבת השאלה כיצד ניתן לבקר אטומים בצורה היעילה והקוהרנטית ביותר. העבודה מתייחסת לבעיה זו בכללותה, ובאופן ספציפי מדגימה את האנליזה לגבי ST​IRAP. 


 איור: הדינמיקה של המערכת

באיור: הדינמיקה של המערכת מומחשת באופן מופשט במרחב המצבים. העננה האדומה מראה כיצד מצב המערכת נפרש במרחב זה כתוצאה מכאוס. ללא כאוס, העננה האדומה הייתה נשארת "נעולה" במרכז הציור, ולא ׳נמרחת׳ לאורך הרצועה הכאוטית.