מלכודת מגנטית

מלכודת מגנטית (באנגלית: Magnetic trap) היא יישום בפיזיקה שנועד ללכוד חלקיקים נייטרליים בעזרת שדה מגנטי המשפיע על המומנט המגנטי של חלקיקים אלו. מומנט מגנטי הוא הגודל הפיזיקלי שמגדיר את עוצמת השדה המגנטי, כוונו נוצר על ידי חלקיקים נטראליים בעלי תכונות מגנטיות והוא משמש כאפיון לאותם החלקיקים. המלכודת המגנטית כדרך ללכידת אטומים קרים הוצעה לראשונה על ידי דייוויד פריצ'רד (David E. Pritchard).
המלכודת המגנטית היא מעין ספל אשר מחזיק את האטומים או המולקולות בתוכו לכל אורך תהליך הקירור, ההאטה. המלכודת בנויה משני סלילים מגנטיים שבתוכם עובר זרם חשמלי בכיוונים מנוגדים. באופן זה נוצר "בור פוטנציאל" אשר מגביל את תנועת המולקולות, ואינו מאפשר להן לצאת. כדי שהמלכודת תתפקד כראוי - כפי שיודע כל מי שניסה לרוץ כשהוא אוחז בספל קפה - ההאטה צריכה להתרחש באופן הדרגתי, שכן בלימה פתאומית תגרום למולקולות "להישפך" מתוך המלכודת, חשוב לציין כי המלכודת המגנטית אינה זזה במרחב, התהליך ההדרגתי הוא הקירור לאחר הלכידה כיוון שדרוש זמן בשביל התרמליזציה. למרות שמלכודות מסוג זה נמצאות בשימוש נרחב במחקר בפיזיקת חלקיקים, הן ידועות בעיקר כשלב האחרון בקירור אטומים (קירור בעזרת לייזר הגורם להאטת האטומים למהירויות נמוכות מאוד עד אפסיות ובכך מקרר אותם- מקטין את הטמפרטורה שלהם) על מנת להשיג עיבוי בוז-איינשטיין.

עקרונות הפעולה

על פי חוקי מכניקת הקוונטים, המומנט המגנטי הנו גודל בדיד - מקוונטט - כלומר, הוא יכול לקבל ערך אחד ממספר ערכים בדידים. אם אטום ממוקם בשדה מגנטי חזק, כיוון המומנט המגנטי שלו יהיה תואם לכיוון השדה המגנטי.
אם גרדיאנט השדה המגנטי מורכב על גבי שדה מגנטי אחיד, אותם אטומים שהמומנטים המגנטיים שלהם בעלי אותו כיוון כמו השדה המגנטי וממוקמים באותו שדה, יחלקו את הערכים המותרים השונים של מספר קוונטי מגנטי עבור אותו אטום.
כאשר השדה גבוה, יהיו לו אנרגיות נמוכות. עקרון התנועה של האטומים בפוטנציאל המגנטי דומה לכדור המתגלגל במורד גבעה, אטומים אלו נוטים לתפוס מקומות עם שדות גבוהים וידועים כאטומים "מחפשי שדה גבוה". לעומת זאת, לאותם האטומים בעלי מומנט מגנטי המיושר מול השדה יהיו אנרגיות גבוהות יותר בשדה גבוה, ויטו לתפוס מקומות בעלי שדות נמוכים יותר, אטומים אלה יקראו "מחפשי שדה נמוך".
אי אפשר לייצר מקסימום מקומי של גודל השדה המגנטי במרחב חופשי; עם זאת, מינימום מקומי עשוי להיות מיוצר. המינימום הזה יכול ללכוד אטומים מחפשי שדה נמוך אם אין להם מספיק אנרגיה קינטית כדי לברוח מהמינימום. בדרך כלל, למלכודות מגנטיות יש שדה מינימלי יחסית חלש והם מסוגלים ללכוד רק אטומים שהאנרגיה הקינטית שלהם מתאימה לטמפרטורות של שבריר קלווין. השדה המינימלי הנדרש ללכידה מגנטית יכול להיות מיוצר במגוון דרכים כגון מלכודות מגנטיות קבועות, מלכודת QUIC (מלכודת בעלת תצורת סליל פשוטה יותר, מלכודת זו פותחה על ידי קבוצה האנץ', Hänsch group) ועוד.

מלכודת מיקרו-שבב אטום

הגודל המינימלי לשדה מגנטי ניתן להשגה באמצעות "מיקרו-שבב של אטום". המוליך בצורת הZ (הZ המוזהב עם הפסים הצבועים על הפני המיקרו שבב) ממוקם בתוך השדה המגנטי האחיד (מקור השדה אינו נראה לעין בתמונה). רק אטומים עם אנרגיית שדה-ספין חיובית יכולים להילכד. כדי למנוע התערבבות של מצבי הספין, השדה המגנטי החיצוני כלול בתכנון השבב, דבר המספק סיבוב ללא שינוי בחום של הספין בתנועה של האטום. באומדן הראשון, הגודל (אך לא הכיוון) של השדה המגנטי אחראי על יעילות האנרגיה של האטום הלכוד. השבב המוצג הוא בגודל 2 ס"מ 2x ס"מ; גודל זה נבחר על מנת להקל ביצור. בעיקרון, גודל של מיקרו-שבבי המלכודות יכול להיות הרבה יותר קטן. מערך של מלכודות מסוג זה יכול להיווצר באמצעות שיטות ליתוגרפיות שגרתיות; מערך כזה נחשב אב טיפוס לסיבי תא זיכרון של מחשבים קוונטים. דרכים להעברת אטומים או סיבי תא זיכרון בין מלכודות עוברות התפתחות ומחקרים.

הלייזרים של וימן

בניסוי של וימן, הוא מנסה להגיע לאפס המוחלט ועושה זאת על ידי קירור אטומי צזיום (מפני שהם המתאימים ביותר לבליעת אור לייזר). הקירור נעשה על ידי לייזרים. הרעיון היה לקרר ולצופף את האטומים בתא הלייזר, ואז להעבירם לתא המגנטי לאחסון זמני. כאשר המטרה היא להכניס עוד ועוד אטומים לאחסון כך שתהיה צפיפות מספקת על מנת לבצע קירור באידוי. ככל שהאטומים אטיים יותר, כך הטמפרטורה שלהם נמוכה יותר. בטמפרטורת החדר מהירות האטומים היא 300 מטר לשנייה, לאחר הקירור בעזרת הלייזר מהירותם יורדת לסנטימטר לשנייה. כדי ללכוד ולקבץ את האטומים המקוררים נעשה שימוש במלכודת מגנטית. המלכודת דוחפת אטומים תועים בחזרה אל המרכז כך שלא יתחממו מהדפנות החמות שלה.

היישום בעיבוי בוז-איינשטיין

עיבוי בוז-איינשטיין (Bose–Einstein condensate, ‏BEC) דורש תנאים של צפיפות גבוהה מאוד בטמפרטורה נמוכה מאוד בתוך גז של אטומים. קירור לייזר במלכודת מגנטו-אופטית
Magneto-optical trap (‏MOT) משמש בדרך כלל כדי לקרר אטומים עד טווח מיקרו-קלווין. עם זאת, קירור לייזר מוגבל על ידי העצירה הרגעית שאטום מקבל מפוטונים בודדים. השגת BEC דורשת קירור אטומים מעבר לגבולות קירור לייזר, כלומר לייזרים המשומשים במלכודת מגנטו-אופטית חייבים להיות כבויים ויש לתכנן שיטה חדשה של כליאה. מלכודות מגנטיות שמשו להחזיק אטומים קרים מאוד וברגע שהמלכודת המגנטית הושגה, התברר כי הקמת מלכודת "עמוקה" ולאחר מכן הורדת קירות המלכודת תאפשר לאלקטרונים המצויים ברמות האחרונות של האטומים להימלט מהם, ותהפוך את האטום ליון שלילי בעל טֶמפֶּרָטוּרָה נמוכה. זה היה כפי שתואר קירור על ידי אידוי, והייתה לו השפעה כפולה של הורדת הטמפרטורה והעלאת הצפיפות של האטומים הלכודים שנותרו. שתי תופעות אלה עזרו לעבר המטרה של פיתוח תהליך העיבוי בוז-איינשטיין (BEC), בעוד שהקירור באידוי צמצם את הטמפרטורה של האטומים מספיק כדי להגיע לעיבוי בוז-איינשטיין.
קירור באמצעות לייזרים- טכניקה לקירור אטומים לטמפרטורה נמוכה מאוד באמצעות אור וקרני לייזר בפרט.
משנת 1985 בעזרת עבודתו של סטיבן צ'ו ועוד החל הקירור באמצעות מלכודת מגנטית והשימוש בלייזר על מנת להגיע לטמפרטורות נמוכות מאוד - עד כדי כך שטמפרטורות של 10-9K הושגו. הצעד המשמעותי הראשון לקראת טמפרטורות ננו-קלווין היה קירור לייזר. עם התקדמותה של הטכנולוגיה וטכניקות בשלל צבעים שזכו לכינוי "קירור סיזיפוס" ו"מולסה האופטי", התקבלו טמפרטורות נמוכות כמו 35 מילי-קלווין לנתרן ו-3 מילי-קלווין לצזיום.
הטכניקה שלמעשה מאטה את האטומים למהירויות אפסיות וכך מקררת אותם, מהווה פתרון לבעיה הנוצרת בלכידה של חלקיקים לא טעונים. על חלקיקים טעונים חשמלית מופעלים כוחות משיכה ודחייה כאשר הם נעים בשדות חשמליים או מגנטיים, ואילו על חלקיקים נטראליים לא. לכן לפני טכניקת קירור הלייזר לא הייתה ידועה אפשרות ללכוד או בכלל להשפיע על חלקיקים כאלו, ולכן היא מהווה מרכיב הכרחי במלכודות חלקיקים.
בניסוי מסורתי (רגיל) של BEC משתמשים במלכודת מגנטית בעלת עוצמה גדולה ועומק גדול כדי ללכוד אטומים מתוך ה-MOT לפני שהאידוי ל-BEC מתחיל. למרות ששבבי אטום יכולים ליצור מגוון רחב של פוטנציאל מגנטי לתפעול אטומים, מלכודות מגנטיות מיוצרות מהמוליכים הקטנים שעל השבב, בעלות נפח אחסון מגנטי קטן מאוד ובמרחק של רק מאות מיקרונים מפני השטח של השבב. הנפח של המלכודת יכול להיות גדול, אבל אז המלכודת לוכדת באופן חלש מאוד והיא בעלת עומק רדוד.