מחקרים

המחקר נערך בהובלת צוות החוקרים: ד"ר סווארופ דב, סטודנט המחקר נועם ראב, פרופ' משה גולדשטיין וד"ר משה בן שלום, מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, ד"ר וואי כאו, פרופ' עודד הוד ופרופ' מיכאל אורבך מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' ליאור קרוניק ממכון ויצמן למדע. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature.

ד"ר משה בן שלום, ראש המעבדה לחומרים קוונטים שכבתיים בבית הספר לפיזיקה מסביר: "אנחנו סקרנים מאוד לגלות איך אטומים מחליטים להסתדר בחומר, איך האלקטרונים בוחרים להתערבב ביניהם, ואיך אפשר לתמרן את הסדר האטומי והמטען החשמלי מבחוץ. קשה לענות על השאלות האלה בגלל הכמות הגדולה של האטומים והאלקטרונים אפילו בהתקנים המזעריים של היום. אחד הטריקים הוא לחקור גבישים, שכן האטומים שלהם מסודרים במבנה מחזורי, כך שהמידע על כל המערכת נקבע על ידי התכונות של התא המחזורי האחד – שכולל מספר בודד של אטומים ואלקטרונים. ועדיין קשה לנו להבין ולחזות את הסדר שלהם, בגלל שהאלקטרונים נפרסים בו-זמנית על פני כל האטומים והתכונות של המערכת הקוואנטית נקבעות על ידי כל החלקיקים יחד ויחסי הגומלין שביניהם".

החלקטרוניקה

דרך אחת לגלות את סדר האטומים ואת התפלגות המטען החשמלי היא לשבור את הסימטריה של המבנה, כך שייווצר שדה חשמלי פנימי קבוע בגביש. גבישים אלו נקראים "פולאריים" או מקוטבים. ב-2020 יצרה המעבדה של ד"ר בן שלום גביש מקוטב חדש על ידי הדבקה של שתי שכבות זהות – כאשר כל שכבה היא בעובי אטום בודד. לעומת הגבישים הסימטריים שגדלים בטבע בהם כל שכבה חדשה מסתובבת, כדי למקם אטומים מסוג אחד בדיוק מעל לאטומים מסוג שני, החוקרים הדביקו את זוג השכבות ללא הסיבוב – וכך גרמו להחלקה זעירה בין השכבות ששוברת את הסימטריה, גורמת לדילוג של האלקטרונים משכבה אחת לאחרת, ויוצרת קיטוב חשמלי פנימי. בשלב שני גילו החוקרים שאפשר להחליק בין השכבות קדימה ואחורה וכך למתג את הקיטוב החשמלי באמצעות שדה חשמלי חיצוני (ראו איור). לתופעה הם קראו SlideTronics, "החלקטרוניקה".

"החלקה וטיפוס בין קיטובים חשמליים": מבנה הגביש המחזורי מכיל זוג אטומים במרווחים קבועים בכל שכבה אופקית. ניתן להחליק כל שכבה נוספת ימינה או שמאלה במישור האופקי כדי למקם אטום כחול בדיוק מעל אטום אדום או להפך ובכך להקפיץ אלקטרונים עם מטען חשמלי מעלה או מטה בין השכבות. שלא כמו בגבישים מקוטבים המוכרים עד כה, הפוטנציאל החשמלי במערכת החדשה משתנה בערך קבוע ומוגדר היטב בין כל שלב ושלב. ניתן לטפס בצורה נשלטת בין כל האפשרויות השונות, כלומר ניתן למתג בין יחידות המידע באותו גביש בניגוד לזוג מצבים בטכנולוגיות קודמות.

גביש בעובי שני אטומים בלבד

ד"ר בן שלום מוסיף: "הגביש המקוטב החדש שגילינו, בעובי שני אטומים בלבד, הוא הדק ביותר האפשרי ועשוי לשמש בטכנולוגיות מידע מבוססות מנהור קוואנטי. אנו מפתחים יחידות מנהור כאלו בחברת Slide-Tro LTD שהוקמה ע"י האוניברסיטה ומשקיע חיצוני ופועלת כעת מתחת לרדאר, ומאמינים כי התופעה מאפשרת בסיס רחב להתקנים אלקטרוניים חדשניים החל מפתרונות להפחתת הספק ועד ליחידות זיכרון משופרות. בהיבטי מחקר יסודי, התגלית העלתה בנו מייד שאלות חדשות: איך יסתדר המטען? ומה יהיה גודל הקיטוב? אם נדביק שכבות נוספות למערכת בצורה שתשבור או תשמור את הסימטריה? במילים אחרות, במקום לרדד את עובי המערכת על ידי איכול שכבות מהגביש, כפי שנעשה עד כה, יכולנו כעת לערום גבישים מקוטבים שכבה אחר שכבה זו מעל זו, ובו בזמן למדוד את גודל הקיטוב והפוטנציאל החשמלי שנוצר בכל שלב בסולם השכבות".

בניסוי הנוכחי הצליחו החוקרים להשוות אזורים סמוכים בעלי מספר שכבות שונה, שנערמו יחד עם החלקות בכיוונים שונים היוצרים קיטובים בגדלים שונים. לדוגמה, עבור ארבע שכבות (ושלושה משטחי מגע מקוטבים) יש ארבע אפשרויות לסדר את כיוון שלושת הקיטובים: כולם מצביעים למעלה ↑↑↑, שניים למעלה ואחד למטה  ↑↑↓, אחד למעלה ושניים למטה ↑↓↓ או שלושה למטה ↓↓↓.

"לשמחתנו גילינו סולם של קיטובים מוגדרים היטב המופרדים ביניהם בערכי קיטוב אחידים, כך שכל שלב בסולם יכול לשמש כיחידת מידע נפרדת", אומר נועם ראב, סטודנט המחקר שמדד את הגבישים. "זוהי כאמור תגובה שונה מאוד מזו של הגבישים המוכרים עד כה, שבהם תגובת פני השטח לקיטוב היא משמעותית והחלפת הקיטוב אפשרית כיחידה אחת בלבד – כלומר שינוי הקיטוב בשכבה אחת משנה את מטען השכבות כולן".

ד"ר סווארופ דב, כותב מוביל במאמר, מדגיש: "הצלחנו גם לטעון את השכבות באלקטרון נוסף לכל מאה אטומים בערך ולשפר בכך משמעותית את הולכת הגבישים במישור מבלי לפגוע בקיטוב הניצב". תוך הסתייעות בחישובים תיאורטיים על סמך עקרונות היסוד של המכניקה הקוואנטית, גילינו שאפשר לתכנן ולבנות צירופי גבישים שכבתיים נוספים באמצעות החלקה יחסית בין השכבות, וכי המידע אודות הקיטוב והסימטריה של המערכת נותר כלוא בין השכבות ומוגן מהסביבה," אומר ד"ר וואי כאו, כותב ראשי נוסף שערך את החישובים. "למעשה ה'החלקטרוניקה' עזרה לנו לגלות את סולם הקיטובים הדק ביותר שאפשר לבנות," מסכם ד"ר בן שלום. "המשך מתבקש למחקר עתידי הוא תמרון סדרים אלקטרוניים נוספים, כגון קיטוב מגנטי ומוליכות-על באמצעות החלקות דומות בין סימטריות גבישיות שונות".

המחקר נערך בהובלת החוקרות גל ורד מהמכון הבינאוניברסיטאי למדעי הים באילת ואוניברסיטת תל אביב ופרופ' נועה שנקר מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Environmental Pollution .  

במסגרת המחקר, החוקרות התמקדו בארבעה סוגי אורגניזמים: אלמוג אבן, אלמוג רך, אמוג אש ואיצטלנים. אורגניזמים אלו ממלאים תפקיד חשוב באקולוגיה של שוניות אלמוגים טרופיות, ופגיעה ברבייה ובהתפתחות שלהם עלולה להשליך על מבנה חברת השונית.

בנוסף, החוקרות בחנו ארבעה תוספים כימיים הנמצאים בשימוש נרחב במוצרי פלסטיק ושנמצאו במי ים באזורים טרופיים המאכלסים שוניות אלמוגים: שני כימיקלים מסוג פתאלאטים, המשמשים לריכוך והעלאת הגמישות בסוגי פלסטיק שונים וניתן למצוא אותם במגוון רחב של מוצרי צריכה כגון אריזות מזון, צעצועים, מכשור רפואי, דבקים ועוד. בנוסף נבחן כימיקל מקבוצת הנונילפנולים המשמש כמייצב באריזות פלסטיק וכתוסף בחומרי ניקוי, וכן החומר ביספנול A, הנפוץ בפלסטיק מסוג פוליקרבונט ואשר משמש לאריזות מזון ואריזות משקה, בקבוקי תינוקות, קופסאות ועוד. איגוד הכימיקלים האירופאי סיווג את הביספנול A כחומר העלול לגרום לפגיעה בפוריות האדם מתוך עדויות בחיות מעבדה.

כרוניקה של זיהום: מהמפעל אל הצרכן ועד לים

גל ורד מסבירה: "תוספי פלסטיק הם תוספים כימיים המשולבים במוצרי פלסטיק בתהליך הייצור. החומרים הללו מגיעים לסביבות ימיות בתיווך פסולת פלסטיק ושפכים, חלקם ידועים כמפעילים או מדכאים של תהליכים הורמונליים ובכך יכולים לשבש מערכות ביולוגיות. עם זאת, ההשפעות שלהם על אורגניזמים בשוניות אלמוגים כמעט ולא נחקרו בעבר. מבנה האוכלוסייה בשונית האלמוגים תלוי בהצלחת הרבייה, ההתפתחות וההתיישבות של האלמוגים ובעלי החיים המרכיבים אותה. הפרעה למערכות הורמונליות עלולה להשפיע על סיכויי ההצלחה של תהליכים אלה, והשפעה בצורה לא אחידה על מינים שונים עלולה להוביל לשינוי במבנה החברה ולפגיעה במערכת כולה."

החוקרות ערכו סדרה של ניסויי חשיפה שבהם נבדקו השפעותיהם של תוספי הפלסטיק בריכוז סביבתי עבור מי ים, ובריכוז מעבדה גבוה יותר. הפרמטרים שנמדדו היו הפריה, התפתחות הפגית (דרגת התפתחות צעירה), שרידות הפגית, והתיישבות הפגית והפיכתה לפרט ישיב. 

הריכוז הסביבתי של נונילפנול נמצא כמעכב את התיישבות הפגיות של האלמוג הרך הנחקר, ואותו החומר, בריכוז גבוה, פגע בהפריה, בהתפתחות ובהתיישבות בכל החיות שנבחנו. בנוסף, אחד מהכימיקלים מסוג פתאלאטים בריכוז גבוה, פגע אך ורק בהצלחת ההתיישבות של פגיות של אלמוג האבן הנבחן ולא בחיות האחרות. ממצא זה מחזק מחקרים נוספים בתחום המראים כי זיהום פלסטיק משפיע באופן סלקטיבי על בעלי חיים ממינים שונים.

פרופ' שנקר: "הממצאים שלנו מדגימים את ההשפעות השליליות והסלקטיביות של תוספי פלסטיק על התפתחות ורבייה של אורגניזמים המאכלסים שוניות אלמוגים; הריכוזים הרלוונטיים לסביבה המשמשים בניסויים שלנו התבססו על רמות מדווחות במי ים. עם זאת, מדידות אלה אינן משקפות את הריכוזים קיימים בתוך הרקמות והמערכות של האורגניזם החי. על מנת להבין טוב יותר את ההשפעה של מזהמים אלו על מערכת אקולוגית המצויות תחת איום תמידי, אנו מציעות לבדוק את הריכוזים בפועל בתוך רקמות האורגניזמים, כדי לייצר הערכות סיכונים רלוונטיות עבור מיני אלמוגים המדגירים את הפגיות בתוך רקמתן."

צרכנות נבונה וניהול פסולת תקין

גל ורד: "שוניות האלמוגים צריכות להתמודד עם איומים רבים, כמו העלייה בטמפרטורות האוקיינוסים, עלייה בחומציות האוקיינוסים, זיהום אור והעשרת חומרים מזינים. רוב שוניות האלמוגים בעולם נמצאות במדינות מתפתחות, שבהן אוכלוסיית האדם מתרחבת במהירות ובהן ניהול לקוי של פסולת ושפכים. פעולות למיגור פסולת הפלסטיק מהסביבה כוללות ניהול פסולת תקין הכולל פתרונות מקומיים והפחתה בשינוע הפסולת ממקום למקום, ובחירה של כל אחת ואחד מאתנו בצרכנות נבונה ומידתית של מוצרים רב פעמיים המיוצרים תחת בקרה של תוספים כימיים".

"אנחנו מדגישות את החשיבות של ניהול פסולת תקין שיפחית את הגעת החומרים הללו לסביבה הימית, ואת הצורך בשיטות למדידת ריכוז הכימיקלים בתוך גופם של בעלי החיים על מנת להעריך את הסיכון האפשרי לתהליכי רבייה והתפתחות," מסכמות החוקרות.

המחקר פורץ הדרך כלל צוות מומחים מבית הספר לרפואת שיניים ע"ש מוריס וגבריאלה גולדשלגר בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר, בהובלת פרופ' ליהי אדלר-אברמוביץ וד"ר מיכל הלפרין-שטרנפלד, ובשיתוף עם פרופ' יצחק בינדרמן, ד"ר רחלי שריג וד"ר מורן אביב. כמו כן השתתפו במחקר חוקרים מאוניברסיטת אן ארבור שבמישיגן. המחקר פורסם בכתב העת Journal of Clinical Periodontology.

החוקרים מסבירים כי המטריקס החוץ-תאי הוא החומר שמקיף את התאים שלנו ומספק להם תמיכה מבנית. לכל רקמה בגוף שלנו יש מטריקס חוץ-תאי המורכב מחומרים אחרים ומתכונות מכניות שונות, וכך גם לעצמות. "אנחנו פיתחנו הידרוג'ל סינתטי, שמחקה את החומרים הטבעיים במטריקס החוץ-תאי של עצמות באופן כזה שמעודד את צמיחתה ומצליח למעשה לשפעל את המערכת החיסונית כך שתעודד את תהליך הריפוי", מסבירה פרופ' אדלר-אברמוביץ ומוסיפה "מן הסתם, המטריקס החוץ-תאי בעצם מקשיח אותה מאוד. את הג'ל יצרנו כך שיחקה את המטריקס הספציפי הזה, הן כימית והן פיזיקלית. ברמה הננו-מטרית, הג'ל מאפשר לתאים להיצמד, להיתמך ולקבל את כל האותות המכניים מהסיבים".

תחילה גידלו החוקרים תאים בתלת-ממד כדי לבחון את תכונות הג'ל. בשלב שני, הם בדקו את השפעת הג'ל על חיות מודל שסבלו מפגם גדול, שלא הייתה אפשרות שיחלים באופן טבעי. "במשך חודשיים עקבנו אחר חיות המודל, בין היתר באמצעות Micro C.T., ולשמחתנו ראינו שחזור מלא של העצמות: סגירה של הפגם ושחזור עובי העצם המקורית עם יצירת כלי דם חדשים" מסבירה פרופ' אדלר-אברמוביץ.

לדבריה, "הטיפול הסטנדרטי כאשר אנחנו מאבדים שיניים בשל הרס נרחב או זיהום חיידקי, הוא השתלת שתלים דנטליים. הבעיה היא שצריך מספיק עצם כדי לעגן את השתל. אם אין מספיק עצם, בקליניקה מקובל לקחת עצם מאזור בריא בגוף ולהשתיל באזור שצריך לחדש, וזאת כמובן פרוצדורה רפואית מורכבת וממושכת. האלטרנטיבה היא תחליפי עצם ממקור אדם אחר או בעלי חיים, שעלולים לגרום לתגובה חיסונית נגדית. בעתיד, אני מקווה שההידרוג'ל שפיתחנו יאפשר החלמה מהירה, בטוחה ופשוטה יותר של העצם".

המחקר הבינתחומי ופורץ הדרך פורסם בכתב העת היוקרתי של האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב (PNAS). המחקר מתבסס על עבודת הדוקטורט של יואב וקנין, בהנחיית פרופ' ארז בן יוסף ופרופ' עודד ליפשיץ מהחוג לארכיאולוגיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' רון שער מהחוג למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית בירושלים.

ההיסטוריה חבויה בשדה המגנטי של כדור הארץ

החוקרים מסבירים שכדי להבין את המנגנון שמחולל את השדה המגנטי של כדור הארץ, גיאופיזיקאים מנסים להתחקות אחר השינויים בשדה לאורך ההיסטוריה. לשם כך הם נעזרים גם בממצאים ארכיאולוגיים אשר מכילים מינרליים מגנטיים שיכולים להקליט את השדה כשהם מתחממים, למשל בזמן שריפה. ב-2020 הצליחו החוקרים למדוד כך את השדה כפי שהיה בט' באב 586 לפנה"ס על בסיס מבנה מפואר שהוחרב בשריפה על ידי נבוכדנאצר והצבא הבבלי בירושלים. כעת, הודות לממצאים ארכיאולוגיים שנחשפו בכל רחבי הארץ לאורך עשרות שנות מחקר, ולמידע היסטורי שמתבסס על כתובות עתיקות ועל התיאורים המקראיים, החוקרים הצליחו לשחזר את השדה המגנטי של כדור הארץ כפי שהוקלט ב-21 שכבות חורבן בארץ – ופיתחו על בסיס המידע כלי מדעי חדש ומהימן לתיארוך ארכיאולוגי.

יואב וקנין מסביר: "על סמך התאמה או אי התאמה בעוצמת השדה המגנטי ובכיוונו אנחנו יכולים לחזק או לשלול את האפשרות ששני אתרים נשרפו במהלך מסע מלחמה אחד. יתרה מכך, בנינו עקומת שינוי של עוצמת השדה לאורך זמן, עקומה שהיא כלי תיארוך מדעי – בדומה לשיטת התיארוך המבוססת על פחמן 14". כך למשל החוקרים מציינים שהיה ידוע עוד טרם המחקר שבסביבות שנת 830 לפנה"ס החריב צבאו של חזאל, מלך ארם דמשק, את גת פלשתים, אתר המזוהה עם תל צפית שבשפלה. אבל יחד עם זאת, לא היה ניתן לקבוע בוודאות אם חזאל החריב גם את תל רחוב, תל זית וחורבת טבת.

במחקר החדש החוקרים הצליחו לזהות התאמה סטטיסטית מושלמת של נתוני השדה המגנטי בזמן החורבן של ארבע הערים הללו, ממצא שמחזק מאוד את הסברה ששלוש הערים הנוספות נחרבו גם הן בידי חזאל. באתר אחר, בתל בית שאן החוקרים מצאו שכבת חורבן שהקליטה שדה מגנטי שונה לחלוטין, מה שלטענתם פוסל את האפשרות שגם אתר זה חרב בידי חזאל, כפי שהניחו חוקרים עד עתה. בנוסף, הנתונים המגנטיים מצביעים על כך שבית שאן ושני אתרים אחרים בצפון חרבו כ-70-100 שנה קודם לחורבן גת, עיתוי שעולה בקנה אחד עם התיארוך של מסע הכיבוש של פרעה שישק מלך מצרים, מסע שמתואר הן במקרא והן בכתובת שנחקקה על קירות מקדש אמון בכרנך שבמצרים, בה נזכרת העיר בית שאן כאחת הערים שנכבשו במסע זה.

לבנת בוץ שרופה מתל בטש (תמנה המקראית) עם סימונים למדידת האוריינטציה המגנטית.

איך נראו ימיה האחרונים של ממלכת יהודה?

אחד הממצאים המעניינים ביותר שנמצאו הודות לשיטת התיארוך החדשה נוגע לשאלת סופה של ממלכת יהודה, כפי שמספר פרופ' ארז בן יוסף: "השאלה איך נראו ימיה האחרונים של ממלכת יהודה היא שאלה פתוחה במחקר. על סמך הממצאים הארכיאולוגיים, חוקרים העריכו שהחורבן הבבלי לא היה מוחלט באזורים שונים של הארץ, ובמקביל לחורבן ירושלים וערי הגבול בשפלה, המשיכו להתקיים יישובים בנגב, בדרום הר יהודה ובדרום השפלה כמעט ללא שינוי. כעת, התוצאות המגנטיות מרמזות שלא רק הבבלים אחראיים לחורבן הטוטלי: עשרות שנים אחרי שהבבלים החריבו את ירושלים ואת בית המקדש הראשון נחרבו היישובים בנגב, וכנראה גם באזורים האחרים, שלא נפגעו מהמתקפה הבבלית, כנראה בידי האדומים שניצלו את מפלת ירושלים. הבגידה הזו, והשתתפות האדומים בהרס היישובים, מסבירה אולי את השנאה העזה לאדום בתנ"ך, כפי שמשתקף למשל בנבואת עובדיה".

פרופ' עודד ליפשיץ מוסיף: "כלי התיארוך החדש ייחודי בכך שהוא מבוסס על מידע מגנטי ממספר אתרים, שתאריך חורבנם המדויק ידוע ממקורות היסטוריים", אומר. "השילוב של מידע היסטורי מדויק עם מחקר ארכיאולוגי מתקדם ורחב היקף אפשר לבסס את השיטה המגנטית על כרונולוגיה מהימנה". במקביל לפרסום המחקר הארכיאולוגי ב-PNAS, העקרונות שבבסיס שיטת התיארוך הארכיאומגנטית יתפרסמו במאמר נפרד.

מחקר ארכיאומגנטי - שיתוף פעולה מרתק

"אנחנו משתמשים בשדה המגנטי של כדור הארץ לניווט, וכך גם חלק מבעלי החיים", אומר פרופ' רון שער מהחוג למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית שהוביל את המחקר הגיאופיזי ואת פיתוח שיטת התיארוך. "רוב האנשים לא יודעים שבלעדיו פשוט לא היו חיים על פני כוכב הלכת, שכן השדה מגן עלינו מהקרינה הקוסמית ומרוח השמש. השדה נוצר בגלעין החיצוני של כדור הארץ, בעומק של 2,900 ק"מ, על ידי זרמים של ברזל נוזלי. בגלל התנועה הכאוטית של הברזל, השדה אינו קבוע אלא משתנה בזמן. עד לפני זמן לא רב, היה מקובל שבמשך פרקי זמן של כמה עשרות שנים השדה המגנטי יציב למדי. בזכות המחקר הארכיאומגנטי גילינו שלא תמיד זה היה כך, ושהשדה העתיק השתנה לעיתים בקצב ובעוצמה חריגים ובלתי צפויים. המיקום שלנו פה בישראל הוא נקודת מוצא ייחודית למחקר ארכיאומגנטי, בזכות התפוצה הנרחבת של ממצאים ארכיאולוגים מתוארכים היטב. בעשור האחרון מדדנו מאות ממצאים, ויחד עם הנתונים המדויקים משכבות החורבן ההיסטוריות שיואב חקר, יצרנו עקומת שינויים רציפה המראה שינויים מהירים וחדים בשדה הגיאומגנטי. זו בשורה נהדרת הן לארכיאולוגים, שיכולים כעת להשתמש במידע המגנטי כדי לקבוע גיל של חומרים עתיקים, והן לגיאופיזיקאים שחוקרים את גלעין כדור הארץ".

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ומבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי), ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

עדיין רלוונטי: מחקר בן 100 שנים מתורת הקוונטים

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי. הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

כעת, 100 שנים לאחר הניסוי המקורי, ביצעו החוקרים ניסוי מקביל באופטיקה, בו קרני אור פוצלו באמצעות אינטראקציה לא-לינארית (אינטראקציה בה קרני אור יכולות להשפיע אחת על השנייה). במסגרת הניסוי, השתמש צוות המחקר בגבישים  אופטיים לא ליניאריים. לטענתם, לרוב משתמשים בגבישים אלה כדי לבצע המרות תדר, כלומר קרן לייזר באורך גל (צבע) מסוים תהפוך לקרן באורך גל אחר.

ספין אלקטרוני

"בניסוי זה שלחנו שלוש אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב - אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה", מסביר פרופ' עדי אריה.

"אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה), והיא נעה ימינה, ובאלומה השנייה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי", הוא מוסיף.

לדבריו, אפשר גם להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. "לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול היות והקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

לסיכום, החוקרים מסבירים כי פיצול מרחבי של אורכי גל אינו דבר חדש. מנסרה, למשל, מאפשרת פיצול מרחבי של אורכי גל לזוויות שונות, ואולם פיצול זה הוא קבוע ומפריד כל צבע לכיוון אחד. בניסוי שהודגם במסגרת מחקר זה, הפיצול מאפשר להשתמש בשילוב אורכי גל, כתלות במופע ביניהם, ולשלוט בזווית הפיצול על ידי אלומת אור נוספת. לתופעה זו יש יישומים פוטנציאלים בתחומים של עיבוד אותות ותקשורת אופטית, תקשורת קוונטית,  חישוב קוונטי, חישה מדויקת ועוד. החוקרים מאמינים שהניסוי יהווה את נקודת הפתיחה לניסויים נוספים שמנצלים את ההקבלה בין מערכות של אלקטרונים בשדה מגנטי לבין מערכות אופטיות.

^{צוות המחקר}