בים, באוויר וביבשה – ניווט אטומי צובר תאוצה

מערכות הניווט שבהן כולנו משתמשים באופן יומיומי סובלות ממגבלה משמעותית: הן תלויות בתקשורת עם רשתות אינטרנט או לוויינים והופכות חסרות ערך כאשר היא משובשת – בגלל תקלה, חבלה, או מגבלה טבעית, כמו למשל במעמקי הים. פתרון לאתגר החיוני הזה עשוי לצמוח בעזרת טכנולוגיות לניווט עצמאי המצויות בפיתוח ברחבי עולם, וצפויות לאפשר לנו לדעת היכן בדיוק אנחנו נמצאים בכל רגע, ללא צורך בתקשורת סלולר או GPS.  

עובדה מפתיעה היא כי ה"ווייז המושלם" הזה מסתמך על מדידה התאוצה של אטומים, שאותה ניתן לבצע באמצעות אינטרפרומטרים של אטומים קרים (Cold Atoms Interferometers) – מכשירי מדידה חזקים ושימושיים, שמהווים מצע לשורה ארוכה של יישומים מדעיים ותעשייתיים. מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף פעולה עם המרכז לטכנולוגיות קוונטים ברפאל, תורמים יכולות עוצמתיות חדשות לתחום מחקר זה, על־ידי שכלול כלי המדידה המבוססים על אטומים קרים.

במחקר חדש בהובלת חן אבינדב וד"ר דימיטרי ינקלב מקבוצות המחקר של פרופ' ניר דודזון וד״ר עופר פירסטנברג במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, הציגו החוקרים הגדלה משמעותית ביותר – פי אלף – של טווח הערכים שניתנים למדידה בעזרת אינטרפרומטרים, מבלי לפגום ברגישות ובדיוק של המדידה.

אינטרפרומטרים, כלומר מדי התאבכות של גלים, פועלים לרוב על גלי אור: מערכת של מראות גורמת לפוטון להתפצל לשני מסלולים – כלומר להיות בו־זמנית בשני מקומות שונים (סופרפוזיציה) – ולאחר מכן להתחבר מחדש בתהליך המכונה התאבכות. האינטרפרומטר שבו נעשה שימוש במחקר הנוכחי פועל דווקא על אטומים, כלומר גלי חומר, שגם הם יכולים להתפצל לשני חלקים לפי מכניקת הקוונטים. בעזרת החיישן האינטרפרומטרי, נחשף מידע רב־ערך על תאוצת האטומים ועל גודלו המדויק של כוח הכבידה בזמן ובמקום שבהם מתבצעת המדידה. זו אחת הדרכים המדויקות ביותר שישנן למדידת כבידה – כוח שלרוב מדידתו קשה במיוחד מפאת החולשה שלו ביחס לכוחות חשמליים ומגנטיים.

כדי לבצע את המדידה נדרש עוד מאמץ נוסף – לעצור כמעט לחלוטין את התנועה האקראית של האטומים, על-ידי קירור שלהם לכמה מיקרו (מיליונית) קלווין מעל לאפס המוחלט. הקירור העמוק נעשה כדי לחשוף את התכונות הקוונטיות של האטום, שאינן נגישות באובייקטים חמים יותר. לשם כך משתמשים בתא ואקום, שבתוכו מלכודת מגנטו-אופטית. אל תא הוואקום מכניסים אטומים של רובידיום, יסוד נוח לעבודה עם קרני לייזר, אשר נעים בתוכו בחופשיות. כשאחד האטומים מגיע במקרה אל המלכודת, קרני הלייזר מקררות אותו, ושדות מגנטיים מונעים ממנו לברוח. מאות מיליוני אטומים נאספים במלכודת בכל שנייה.

אינטרפרומטרים של אטומים קרים כבר יצאו מהמעבדה והופעלו במכוניות, במטוסים ועל-גבי ספינות

המדידה באמצעות אינטרפרומטרים של אטומים קרים נאלצת לתמרן בין שתי מגבלות: רגישות המדידה, כלומר היכולת להבחין ברמות שינוי מזעריות בגודל הנמדד; והטווח הדינמי – כלומר תחום הערכים שניתן למדוד. גם בהקשרים יומיומיים, תמיד ישנה פשרה בין טווח דינמי לרגישות המדידה. למשל, מאזני משקל של בני-אדם ימדדו בטווח של עד 150 ק״ג, אבל לא יזהו שינויים מזעריים של גרמים בודדים, שאותם יגלו בקלות מאזני מטבח הפועלים בטווח מדידה קטן בהרבה.

מדעני המכון הצליחו לשכלל את דרך הפעולה של אינטרפרומטר של אטומים קרים ולהתגבר על הצורך בפשרה. הם השיגו זאת על-ידי תוספת מדידות ופענוח המידע הנוסף שהתקבל מהן, תוך נטרול של ה"רעשים" שנוצרים במהלך כזה. במחקר קודם, הצליחו החוקרים לערוך מספר מדידות של האטומים בזו אחר זו, כשכל אחת מהן מתבצעת בקנה מידה מעט שונה (scale factor). השילוב בין המדידות השונות, בעזרת טכניקה המכונה מוארה (Moiré), סיפק מידע חדש שאיפשר להרחיב את טווח המדידה. ואולם בניסוי הקודם, ריבוי המדידות ומשך הזמן שחלף ביניהן הגביל את ישימות השיטה.

החידוש הגדול במחקר הנוכחי הושג בעזרת חלוקת האטומים לשתי קבוצות בכל הפעלה של הניסוי, כך שמתקבלים שני קני מידה בו־זמנית. בהפעלה בודדת בשיטה הזו גדל הטווח של המדידה פי עשרה. החוקרים לא הסתפקו בכך – וחזרו על הפעולה פעמיים או שלוש ברצף, בכל פעם עם קני מידה מעט שונים. כך הגיעו להישג המרשים של הגדלת הטווח הדינמי בסדרי גודל של פי מאה ופי אלף – תוך פגיעה מזערית ברגישות המדידה. במחקרים עתידיים, מדעני המכון מתכננים לנסות ולשכלל עוד יותר את שיטת המדידה, על-ידי שימוש בקני מידה רבים יותר בו-זמנית.

בינתיים, גם היישומים המדעיים והתעשייתיים של אינטרפרומטרים של אטומים קרים מתקדמים במהירות – והופכים את המחקר בתחום לשימושי במיוחד. מכשירים אלה כבר יצאו מהמעבדה, והופעלו במכוניות, במטוסים ועל-גבי ספינות. בעתיד ניתן יהיה להיעזר בהם לניווט עצמאי, למיפוי שדה הכבידה של כדור־הארץ ולחיפוש אחר משאבי טבע.