אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

מהי תהודה מגנטית? כאמור, לכל החלקיקים בטבע ישנו ספין. למערכת המורכבת ממספר חלקיקים ישנו ספין כולל, שיכול להיות מספר שלם, מספר חצי שלם, או אפס. אם לפרוטונים ולניטרונים המרכיבים את גרעין האטום ישנם ספינים מקבילים (כולם באותו כיוון), מצב האנרגיה שלהם הוא הנמוך ביותר (מערכת כזו היא מקוררת). במצב כזה הספין הכולל של המערכת לא יכול להיות אפס. למעשה, מצב שבו הספין הכולל אינו אפס תלוי לרוב במספר החלקיקים המרכיבים את הגרעין: אם ישנו מספר זוגי של ניטרונים ומספר זוגי של פרוטונים-הספין הכולל יהיה אפס. אם ישנו מספר אי זוגי של פרוטונים ומספר זוגי או אי זוגי של ניטרונים (או להיפך)-הספין הכולל לא יהיה אפס. לכן, לאיזוטופים בעלי מספר אי זוגי של פרוטונים ו/או מספר אי זוגי של ניטרונים ישנו ספין שונה מאפס (באיזוטופ של יסוד מספר הפרוטונים זהה למספר הפרוטונים ביסוד, אך מספר  הניטרונים שונה). בתהליך ה- NMR מפעילים שדה אלקטרומגנטי חיצוני על מערכת שהספין הכולל של כל אטום שבה שונה מאפס. בגלל השדה המגנטי החיצוני יסתדרו כל הספינים באותו כיוון, וזהו מצב בו אנרגיית המערכת מינימאלית. בשלב זה שולחים לתווך גלים אלקטרומגנטיים בתדרים שונים (בד"כ תדרים בתחום גלי רדיו). כעת יבלעו האטומים אנרגיה, ואז מופסק שידור גלי הרדיו. לאחר זמן מה תחזור המערכת למצב האנרגיה המינימאלית (כי השדה החיצוני פועל כל הזמן), ואז תיפלט הקרינה שנבלעה. הקרינה נפלטת בתדר מסוים מאד, המתאים להפרשי האנרגיה של האטומים. לפי ניתוח הקרינה הנפלטת ניתן לקבל מידע לגבי החומר שבתווך.

בניסוי שביצע צוות המדענים היה האמבט עשוי ממספר גדול של פרוטונים (גרעינים של אטומי מימן). החלקיקים הקוונטיים היו גרעינים של האיזוטופ פחמן 13 (שבגרעינו 6 פרוטונים ו-7 ניטרונים). כדי לדמות תהליך מדידה, השתמשו המדענים בפעימות מגנטיות קצרות, תוך שהם בודקים את סדר הספינים של גרעיני הפחמן 13. בתחילת הניסוי היו גרעינים אלה במצב של אי-סדר, והספינים שלהם הצביעו לכל הכיוונים. אבל כששינו החוקרים את תדירות הפעימות המגנטיות – בטווח שבין פעימה אחת לעשר פעימות באלפית השנייה – אפשר היה לגרום לספינים להתארגן במקביל לשדה המגנטי או בכיוון הנגדי. "זה דומה לאיש שמשוטט הלוך וחזור בשביל", אומר פרופ' פרידמן. "באמצעות ההחלטה מתי ואיפה לעצור אותו אנחנו יכולים 'לאפס' את מהלך ההליכה שלו, וכך לשלוט בכיוון שבו הוא הולך. במערכת הניסויית שלנו הצלחנו, באמצעות הגישה הזאת, לסדר את הספינים של קבוצות החלקיקים הקוונטיים 'כלפי מעלה' או 'כלפי מטה', לפי רצוננו. במקרים מסוימים קיבלנו מערך טוב יותר מזה שאפשר לקבל בשיטות אחרות".

המדענים הופתעו לגלות התאמה כמעט מלאה ביו תוצאות הניסוי לבין התיאוריה, והם מתחילים לחשוב על יישומים אפשריים. פרופ' פרידמן, למשל, סבור ששיטה המאפשרת לשלוט בספינים של חלקיקים קוונטיים עשויה לשפר את היעילות של ניסויי NMR מסוימים. פרופ' קוריצקי מתכוון לחקור כיצד העיקרון הזה יכול לעזור להתגבר על אחד המחסומים לבניית מחשבים קוונטיים. "כדי ליצור רישום של זיכרון קוונטי", הוא אומר, "חייבים להתחיל ממצב אשר בו כל הספינים מסודרים באותו כיוון. השיטה שלנו יכולה להגיע למצב הזה ללא הפעלת 'אלימות' מיותרת. ייתכן שכדי ליצור את הסידור הנכון נצטרך רק למצוא את התדירות המתאימה של מחזור המדידות".