דֶּבֶק קוונטי

האם טלפונים סלולריים ומחשבים יכולים להפוך ליעילים יותר בעזרת ענף רב-מסתורין של פיסיקה קוונטית? מדעני מכון ויצמן למדע הראו באחרונה כי הבנה מעמיקה של תנודות קוונטיות עשויה לסייע להפחית את הנטייה של רכיבים מיקרואלקטרוניים נעים להידבק זה לזה.

"אם יכולנו לכווץ את עצמנו לגודל של נמלה זעירה", מסביר פרופ' אולף לאונהרדט, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון. "העולם היה מקום שונה לגמרי עבורנו – טיפת מים הייתה ענקית, ובהתאם לכך האוויר היה צמיגי. היינו נדבקים למשטחים – מה שהיה מקשה על התנועה שלנו מחד גיסא, אך מאידך גיסא מאפשר לנו לטפס על קירות". בעולם זה, ה'דביקות' נובעת מתנודות תמידיות של מולקולות אוויר או נוזל אשר מקיפות את גוף הנמלה או במקרה דנן – את הרכיב האלקטרוני הזעיר.

אלברט איינשטיין היה הראשון שהתייחס לתנודות מולקולריות אלה, בעת שניסח את התיאוריה שלו לתנועה בראונית, לאחר שהבחין בהתנגשויות תמידיות של חלקיקים בנוזל. תנודותיהן של מולקולות המים שומרות על החלקיקים נטועים במקומם אך גם מטלטלות אותם כל העת, כך שתנועות החלקיקים אינן ניתנות לחיזוי מדויק.

דביקות שכזו משפיעה על רכיביהם המכניים של מעגלים אלקטרוניים – כמו נגדים וקבלים – כמו גם מדי תאוצה במכשירי טלפון סלולריים ושבבים אלקטרוניים אשר מפעילים כריות אוויר במכוניות. תנודות אלה אינן רצויות כפל-כפליים במכשירים אלקטרוניים, שכן הן אינן גורמות רק להידבקויות, אלא מהוות באופן כללי "רעש" במערכת אשר פוגע ביעילותה. עם זאת, חשוב לזכור כי תנודתיות מובנית בכל מערכת: כל צורה של אובדן אנרגיה או חלקיקים כרוך בתנודתיות. כך למשל, הנגדים במעגלים מודפסים מאבדים אנרגיה בצורה של חום, דבר שמוביל לתנודות בזרם.

אם יכולנו לכווץ את עצמנו לגודל של נמלה זעירה, העולם היה מקום שונה לגמרי עבורנו – טיפת מים הייתה ענקית, ובהתאם לכך האוויר היה צמיגי. היינו נדבקים למשטחים – מה שהיה מקשה על התנועה שלנו, אך מאפשר לנו לטפס על קירות"

תנודות הן כה נפוצות, עד שהן קיימות אפילו בריק מוחלט. מדובר בתנודות של גלים אלקטרומגנטיים שנוצרות על-ידי חלקיקים קוונטיים שמופיעים ונעלמים. בהתאם לחישוב תאורטי של הפיסיקאי ההולנדי הנדריק קזימיר משנת 1948, הן הודגמו לראשונה בניסוי בשנת 1997: כאשר שני לוחות זעירים ומצופים מראה נתלו בריק כשהם פונים זה אל זה, הם נעו אחד לעבר השני, כאילו אצבעות בלתי נראות קירבו ביניהם. ההסבר לכך הוא שמראות התלויות קרוב מאוד זו לזו מאפשרות אך ורק לאורכי הגל הקצרים ביותר להתקיים במרחב שביניהן, ולכן סך הגלים בחלל הריק עשוי להיות גדול משמעותית בצדן החיצוני. ככל שתנודות הגלים מוסיפות לדחוף את הלוחות זה אל זה, אורכי גל מועטים אף יותר יכולים להתקיים ביניהם, מה שמקרב ביניהם עוד.

האם ההסבר הפיסיקלי לתנועת שתי מראות דקות בוואקום עשוי להסביר גם את הדביקות של רכיבים אלקטרוניים זעירים? פרופ' לאונהרדט מסביר: "כדי להשיב על שאלה זו, חיברנו תיאוריות של אלקטרוניקה פשוטה עם מכניקת הקוונטים של אפקט קזימיר, והצלחנו לתאר את הכוחות הגורמים לדביקות במעגלים אלקטרוניים, ואף לחשב אותם". תוצאות המחקר שהוביל ד"ר אפרים שחמון, ושהחל בעת שהיה חוקר בתר-דוקטוריאלי במעבדה של פרופ' לאונהרדט, פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science Advances.

חישוביהם מצביעים על כך שלמרות שלא ניתן להתגבר על הדביקות באופן מלא, ניתן לפחות להביא את הממצאים החדשים בחשבון בהרכבת המעגל האלקטרוני, ולהוסיף רכיבים מן המוכן – או להתאים את הרכיבים הקיימים על-מנת להפוך אותם ל"דוחים" יותר, וכך לצמצם את הנטייה שלהם להיצמד זה לזה.

"הרעיון לפיו אפשר לתמרן את הרעש ברכיבים אלקטרוניים כך שהם יהפכו ליותר יעילים הוא רעיון חדשני, שעשוי לתת למהנדסים ולמפתחים דרגת חופש חדשה. החישובים שלנו מראים כי באמצעות שימוש ברכיבים אלקטרוניים קיימים אפשר 'לסכך' את המערכת ולעזור לחלקים המכניים לנוע בצורה חלקה יותר", אומר פרופ' לאונהרדט ומוסיף: "חלקים נרחבים בפיסיקה הקוונטית שנראית מוזרה ומרוחקת מהעולם היומיומי שלנו, יכולים למעשה לסייע לנו להבין טוב יותר את המציאות שבה אנו חיים".