רעיונות

להגיע לצדק

החללית "ג'וּנוֹ", ששיגרה סוכנות החלל האמריקאית, נאס״א, תגיע בארבעה ביולי לכוכב-הלכת צדק, כוכב-הלכת הגדול במערכת השמש שלנו, העשוי כולו גז, ותיכנס למסלול סביבו. בדרכה אליו עברה החללית יותר משני מיליארד קילומטרים במסע שנמשך קרוב לחמש שנים. המסע אמנם יסתיים, אבל משימתה של החללית רק תתחיל. אחרי שתבצע כמה תמרונים מורכבים, תיכנס החללית למסלול ייחודי שיאפשר לה להתקרב עד כ-4,000 קילומטר מעל לפסגות העננים של כוכב-הלכת, קרוב יותר מכל חללית אחרת שהגיעה בעבר לצדק.

"כאשר 'ג'ונו' תיכנס למסלול", אומר ד"ר יוחאי כספי ממכון ויצמן למדע, "נוכל לבחון לראשונה את הזרימה שמתחת לעננים הסמיכים שמכסים את צדק". ד"ר כספי הוא אחד המדענים בצוות המוביל את המשימה המדעית של "ג'ונו". ד"ר כספי, ושותפו, מדען הסגל ד"ר אלי גלנטי, יימצאו בחדר הפיקוד והבקרה של החללית בפסדינה, קליפורניה, יחד עם מדענים ומהנדסים נוספים מצוות המשימה שיעקבו אחר החללית כאשר זו תבצע את התמרונים, תיכנס למסלול המתוכנן – ותתחיל לשלוח נתונים.

ד"ר כספי, ד"ר גלנטי וחבריהם מקווים, ש"ג'ונו" תאפשר להם לענות על השאלה, עד כמה עמוקים זרמי הסילון החזקים המאפיינים את שכבת העננים של צדק. אלו זרמי גז שנראים כמו פסים מסודרים על-פני השטח החיצוניים של צדק, ומאחר שלצדק אין קרקע מוצקה, הם עשויים להתקיים עד לעומק רב מאוד. המדענים מקווים לגלות כיצד נוצרים הדפוסים הללו: האם השכבות החיצוניות מסתובבות בתיאום עם השכבות הפנימיות, עד כמה עמוק הכתם האדום הגדול המפורסם, והאם יש לכוכב-הלכת גלעין פנימי מוצק. תשובה לשאלה אחרונה זו עשויה לתרום להבנת אופן היווצרותם של כוכבי-לכת, וד"ר כספי וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה ישתמשו בנתוני מדידות הכבידה שתבצע "ג'ונו" כדי "לחשב לאחור" את תבניות הרוחות שיצרו אותם.

ד"ר כספי השתמש בעבר בכלים אלה כדי לחשב את עומק דפוסי מזג האוויר על צדק ועל כוכבי-לכת אחרים, אולם נתוני הכבידה מהחללית "ג׳ונו" יהיו מדויקים בהרבה, ויפתחו בפני המדענים חלון ראשון מסוגו, שדרכו יוכלו להתבונן במתרחש מתחת לעננים אשר מכסים את כוכב-הלכת הענק צדק, ולהבין מה באמת קורה שם.

 

ננו-עניבות פרפר

ננו-מבנים מכסף שהם דמויי עניבות פרפר עשויים לקרב אותנו צעד אחד נוסף לעבר החלום של מחשבים קוונטיים. ננו-מבנים אלה, אשר נוצרו במכון ויצמן למדע ותוארו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, מפשטים את התנאים לחקר תופעות קוונטיות ויכולים – יום אחד – לשמש בסיס לבניית רכיבים החיוניים להתקנים קוונטיים.

קבוצת מחקר בראשות פרופ' גלעד הרן מהמחלקה לפיסיקה כימית – אשר כללה את החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר קוטני סנטוש, מדענית הסגל ד"ר אורה ביטון מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, ופרופ' לב צ'ונטונוב מהטכניון – יצרה ננו-מבנים דו-ממדיים בצורת עניבת פרפר, העשויים מכסף, בעלי מרווח של כ-20 ננומטרים (חלקי מיליארד של מטר) במרכזם. החוקרים טבלו את "עניבות הפרפר" בתמיסה המכילה נקודות קוונטיות (חלקיקים זעירים של מוליך למחצה, בגודל שישה עד שמונה ננומטרים, המסוגלים לקלוט ולפלוט אור). בזמן הטבילה נלכדו חלק מהנקודות הקוונטיות במרווחים שבמרכז "עניבות הפרפר".

תחת חשיפה לאור יצרו הנקודות הלכודות צימוד אלקטרומגנטי ל"עניבות הפרפר". בתהליך זה נוצר מצב מעורב: חלקיק אור – פוטון – שהגיע להתקן, התחלק בין "עניבת הפרפר" לבין הנקודה הקוונטית. הצימוד היה כה חזק, עד שהוא נצפה אפילו כאשר נלכדה במרווח של "עניבת הפרפר" נקודה קוונטית אחת בלבד. כתוצאה מכך אפשר היה לגרום לכך ש"עניבות הפרפר" יעברו, כמו באמצעות מתג, ממצב אחד לשני: מהמצב שקדם לצימוד לנקודות קוונטיות, לפני החשיפה לאור, למצב המעורב שאותו מאפיין צימוד חזק, לאחר החשיפה לאור.

בעתיד אולי אפשר יהיה לנצל את השליטה בצימוד הנקודות הקוונטיות לבניית מתגים עבור מחשבים קוונטיים, או עבור התקני הצפנה אשר יתבססו על תופעות קוונטיות – כלומר, מכונות שיוכלו לפעול ברמה של פוטונים או של מערכות קוונטיות בודדות, כמו אטומים, מולקולות או נקודות קוונטיות. מדענים צופים, כי התקנים אלה יהיו עוצמתיים פי כמה וכמה מאשר המחשבים האלקטרוניים או מערכות ההצפנה הנוכחיות, מפני שתופעות קוונטיות יוצרות מצבים שאינם קיימות ביום-יום, כמו האפשרות שחלקיק יהיה ביותר ממקום אחד באותו הזמן, ולכן יוכל לבצע יותר מחישוב אחד בעת ובעונה אחת.

"זהו רק הצעד הראשון של שיטת הצימוד שלנו, שאנחנו מקווים שבעתיד תתרום ליצירת מתגים קוונטיים", אומר פרופ' הרן. "עדיין דרוש מחקר רב עד שאפשר יהיה לבנות התקנים שימושיים בשיטה זו, אך הראינו כי באופן עקרוני, קל ליישם את השיטה שלנו, וחשוב מכל – שהיא ישימה בטמפרטורת החדר. כעת אנחנו מפתחים ננו-מבנים עוד קטנים יותר בצורת עניבת פרפר, ומנסים ליצור צימוד עוד יותר חזק וגם הפיך".

מדעני המכון הצליחו לפתח את מערכת "עניבות הפרפר" בזכות פיתוחים חדשים בטכנולוגיות הננו, לרבות ליטוגרפיית קרן אלקטרונים, שבאמצעותה הם בנו את "עניבות הפרפר", והכניסו את הנקודות הקוונטיות לתוך המרווחים שבמרכזן. המדענים ניתחו את הנתונים בעזרת תוכנות חישוב פשוטות יחסית, שזמינותן מייתרת את העבודה הרבה אשר נדרשה בעבר מצד תיאורטיקנים כדי לתאר מערכות כאלו. כמו כן הסתמכו המדענים על הבנת תנודות אלקטרונים הנוצרות במתכות באמצעות אור, דבר שכיום הוא אפשרי בזכות ממצאי מחקרים שפורסמו באחרונה. תנודות אלה, שהן המקור הפיסי של הצימוד בין "עניבות הפרפר" לבין הנקודות הקוונטיות, חזקות במיוחד על גבי פני השטח של המתכת. לכן, במערכות דו-ממדיות, השדה החשמלי והמגנטי שיוצרות תנודות אלה הוא מרוכז ביותר, במיוחד כאשר הוא מתמקד בחלק הצר ביותר של "עניבת הפרפר", בדומה לאור הממוקד בקרן צרה.

הריכוז הגבוה של האור הוא זה שמבטיח את השליטה הטובה על הצימוד, ושליטה זו חיונית ליישומים קוונטיים עתידיים. זו הפעם הראשונה שמערכת אשר נבנית לצורך חקר צימוד חזק בין אור לבין מערכת קוונטית בודדת מצליחה לפעול בקנה-מידה מזערי כל כך. הישג זה מאפשר כעת, לראשונה, לבצע ניסויים נוספים ברמת הנקודות הקוונטיות הבודדות.

 

מרכז שוורץ/רייסמן – המחזור הראשון

טקס סיום המחזור הראשון של מרכז שוורץ/רייסמן לחינוך מדעי, רחובות, התקיים אתמול (רביעי) בגן המדע על-שם קלור, של מכון ויצמן למדע. השתתפו: נשיא מכון ויצמן למדע פרופ' דניאל זייפמן, סגן ראש עירית רחובות זהר בלום וראש עיריית נס ציונה יוסי שבו. 207 תלמידי י"ב – בוגרי המחזור הראשון של המרכז – ניגשו שלשום לבחינת הבגרות האחרונה שלהם בפיסיקה. "כשלומדים פיסיקה", אמר פרופ' זייפמן, "לומדים למעשה דרך חשיבה שמאפשרת להסיק מסקנות ולפתור בעיות. עם הכלים האלה – יוכלו הילדים, בוגרי מרכז שוורץ/רייסמן, לעשות מה שהם רוצים". בהמשך הודה נשיא המכון למורי המרכז: "תודה מיוחדת לאנשים הכי חשובים – המורים. הוראה היא המקצוע היחיד שמאפשר ליצור מקצועות אחרים. בלי האנשים האלה - שמקדישים מעצמם ועוזרים לילדים שלנו לבנות את עתידם - לא היינו מצליחים להשיג שום דבר".

לפני שלוש שנים החל לפעול מרכז שוורץ/רייסמן לחינוך מדעי, רחובות, בקמפוס לחינוך מדעי על-שם רות ואוריאל ארנון, שבמכון ויצמן למדע, במטרה להעניק לתלמידי רחובות ונס ציונה אפשרות ללמוד פיסיקה ברמה גבוהה יותר. התלמידים לא משלמים בעד לימודיהם במרכז, אותו מפעילים – בשיתוף פעולה – עיריית רחובות, עיריית נס ציונה ומכון ויצמן למדע. התפיסה הייחודית של המרכז מבוססת על רעיון שעלה במכון ויצמן למדע ואשר יושם בהצלחה בתל-אביב, בבית-הספר חמד"ע. מדובר בתפיסה, שלפיה תלמידי מדעים מבתי-ספר רבים לומדים מדעים במרכז ייחודי, המצויד במעבדות מודרניות, ואשר המורים בו בעלי רקע מחקרי בחזית המדע, וניתן להם זמן לפיתוח מתמיד של תוכניות ושיטות הוראה מתקדמות.

לפי התפיסה הזאת, בוגרי המחזור הראשון – תלמידי פיסיקה מכל בתי-הספר בנס ציונה ושלושה בתי-ספר מרחובות (דה-שליט, ישיבת הדרום ומדעים) – הגיעו למרכז שוורץ/רייסמן פעמיים בשבוע במשך שלוש שנים, שם למדו פיסיקה ברמה של חמש יחידות, ואף מעבר לרמה זו. התוצאות לא איחורו להגיע: כבר עתה ניכרת עלייה משמעותית במספר התלמידים מרחובות ומנס ציונה הלומדים פיסיקה ומתמטיקה ברמה של חמש יחידות.

במרכז מלמדים 15 מורים – כולם בעלי ניסיון מחקרי ותואר שני או שלישי – ושלושה לבורנטים. כל המורים עובדים במרכז במשרה מלאה, כדי שמעבר ללימוד הכיתה, יישאר להם זמן לפתח תוכניות לימודים, לכתוב מבחנים ולסייע זה לזה. "אנחנו מציבים 15 מורים לפיסיקה בחדר אחד", אומר ד"ר רונן מיר, מנהל מרכזי שוורץ/רייסמן לחינוך מדעי. "והמצב הזה הופך אותם ליצירתיים מאוד – כשהנהנים העיקריים הם, כמובן, התלמידים".

 

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:

משרד הדובר – מכון ויצמן למדע

08-9343856  [email protected]