קר, קפוא, מתחמם: כיצד להפחית גלי הלם בניסויים עם אלומות חלקיקים

ההתקן הזעיר, דמוי-החרוט, המשמש בניסויים לחקר תופעות אקזוטיות בעולם הכימיה הקוונטית נראה כמו כונס אוויר במנועי מטוסים, והוא אכן ממלא תפקיד דומה: הכוונת זרימת גז. במטוס, הוא שולט על אספקת האוויר הדרוש לשריפת דלק, ואילו בניסויים, ההתקן מעצב אלומות של אטומים או מולקולות קרות. בעוד שהחרוט הזה, skimmer באנגלית, היה מרכיב הכרחי בניסויים עם אלומות אטומיות ומולקולריות במשך עשרות שנים, השימוש בו הכתיב מגבלה יסודית על מספר החלקיקים שניתן לארוז לתוך האלומה. כעת, חושפים פרופ' אדוארדס נרייביצ'יוס וקבוצת המחקר שלו במחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע דרך פשוטה להתגבר על מגבלה זו.

ניסויים באלומות קרות, הנערכים במעבדות ברחבי העולם, מאפשרים לחוקרים לצפות בהתנהגות קוונטית של אטומים ומולקולות, למשל כגלים שמתאבכים זה עם זה. מיזוג אלומות שונות, כפי שעושים נרייביצ'יוס וחברי קבוצת המחקר במעבדה שלהם, יוצר סוגים חדשים ומרתקים של תגובות כימיות.

נרייביצ'יוס מסביר כי את הקירור הקיצוני הדרוש לניסויים אלו – קרוב לאפס המוחלט – משיגים באמצעות ריסוס גז המורכב מאטומים או ממולקולות הנתונים בלחץ גבוה במיכל דרך נחיר קטן אל תוך תא ואקום – כלומר ללחץ אפסי כמעט. החלקיקים בניסוי מתפשטים לענן קר מאוד הנע במהירות גבוהה. ההתקן דמוי-החרוט מעצב חלק מהענן הזה  לצורת אלומה. "סביר היה לחשוב", אומר נרייביצ'יוס, "שהגדלת הלחץ של הגז במיכל, אשר גורם לשחרור יותר אטומים בבת אחת לתוך תא הוואקום, יגרום לכך שלאלומה תהיה צפיפות גבוהה יותר. אבל לא כך קורה. מעל ללחץ מסוים, הצפיפות נשארת קבועה. חוקרים לא ידעו איך ניתן להתגבר על מגבלה זו, אשר מותירה ניסויים מעניינים רבים מעבר לטווח האפשרי".

"זו הייתה בעיה מושלמת לסטודנט שלי, יאיר שגב", מוסיף נרייביצ'יוס. שגב הגיע למכון ויצמן עם מומחיות בתחום האווירונאוטיקה והחלל. בעזרת אלגוריתם המשמש מהנדסי תעופה למידול זרימה באטמוספירה העליונה, שגב יצר סימולציות של זרימת החלקיקים דרך החרוט. סימולציות אלה חשפו את הופעתם של גלי הלם בתוך החרוטים, אשר חסמו את זרימת החלקיקים באלומה. תופעה זו נובעת מאינטראקציה בין חלקיקי האלומה לבין החרוט: חלקיקים מוחזרים ממנו במהירויות גבוהות, מתנגשים ומשבשים את זרימת האלומה. מהירות ההחזרה הגבוהה היא תוצאה של הטמפרטורה "הגבוהה" (טמפרטורת החדר) של פני השטח של החרוט; לכן שגב ניסה את הסימולציה עם חרוטים קרים מאוד. התוצאות הראו החלשה משמעותית של גלי ההלם, כמו גם אלומות צפופות בהרבה.

בהמשך, הקבוצה ערכה ניסויים עם אלומות מולקולריות מסוגים שונים, תוך קירור החרוטים לטמפרטורות נמוכות יותר ויותר. שימוש בניאון ובפלזמה מאירה אִפשר להם להבחין בבירור בתוצאות (ראו סרטון). החוקרים גילו כי צורת גלי ההלם השתנתה וכי צפיפות האלומות אכן עלתה משמעותית עם קירור החרוטים, והגיעה לשיאה כאשר הטמפרטורה הייתה פחות מכמה עשרות מעלות מעל האפס המוחלט – קר מספיק להקפיא חלקיקים לקצה החרוט ובכך, לאפשר לשאר להמשיך לזרום "בלי לחוש כל הפרעה מהחרוט", אומר נרייביצ'יוס.

סימולציה המבוססת על מודלים של הנדסת חלל חשפה את קיומם של גלי הלם באלומות הקרות בשל הטמפרטורה "הגבוהה" יחסית של ההתקנים דמויי החרוט המשמשים בניסוי