תנודות רבי

תנודות רבי (באנגלית: Rabi oscillations, אוסצילציות רבי) או מחזור רבי (Rabi cycle) היא התנהגות מחזורית של מערכת קוונטית בעלת שני מצבים (שתי רמות אנרגיה קוונטיות), בנוכחות שדה מגנטי קבוע ושדה מגנטי מתנודד, שתדירותו תואמת את הפרש האנרגיות בין הרמות. מחזוריות זו מתייחסת לבליעה ולפליטה של אנרגיה, במעבר אוכלוסייה בין רמות אנרגיה. תופעה זו נצפתה במערכות רבות, החל מפיצול רמות באטומים ועד לתנודות במערכות מולקולריות. התנהגות מחזורית זו מזוהה עם שמו של איזידור אייזק רבי. על פיתוח מחולל המחזוריות ומערכת המדידה, זכה אייזק רבי ב-1944 בפרס נובל. את בעיית הדיוק במדידת המומנט המגנטי של האטום, יעדם של ניסויי רבי, השלים נורמן רמזי כארבעים שנה מאוחר יותר, בטבעו מונח חופף, תנודות רמזי.

הניסוי של רבי

רבי הקרין אלומת אטומים דרך שני שדות מגנטים שונים: שדה מגנטי קבוע ושדה מגנטי מתנודד (המשתנה בתדר מסוים התואם את הפרש האנרגיה בין הרמות). גרעיני האטומים שהקרין התאפיינו במומנטים מגנטיים, גודל הנלווה לספין הגרעין אשר גורם לגרעין לתפקד כמגנט קטן. בהשפעת השדה המגנטי ביצעו המומנטים נקיפה סביב כיוון השדה המגנטי הקבוע, שתדירותה פרופורציונלית לעוצמת השדה. כאשר רבי השווה את תדירות השדה המגנטי המתנודד לתדירות הנקיפה של המומנטים, המומנטים המגנטיים נכנסו לתהודה ושינו את כיוונם בצורה מחזורית, דבר שהורגש בבליעת אנרגיה מהשדה המתנודד וייצר בעצם תנודה מחזורית של ספיגת ופליטת פוטונים.

תיאור פיזיקלי

ההסבר להתנהלות שזיהה רבי ניתן במכניקת הקוונטים, לפיה שני מצבי מומנט אלו מייצגים למעשה שתי רמות אנרגיה שונות. מעבר חלקיק מרמת האנרגיה הנמוכה לגבוהה יותר, מתרחש על ידי בליעת אנרגיה מהשדה המתנודד, ששבה ונפלטת עם הדעיכה חזרה מן המצב המעורר לרמת היסוד (הנמוכה). כאשר אטום או מערכת שתי רמות מקבילה, מאופיינים כך שכל אוכלוסייתם נמצאת ברמת היסוד ואין שדה חיצוני הפועל עליהם, הסתברות מעבר בין הרמות היא קטנה מאוד וזניחה. באמצעות הפעלת שדה חיצוני משתנה, כגון קרן לייזר, במערכות אטומיות, ניתן לאלץ מעבר אוכלוסייה מרמת היסוד לרמה מעוררת. כאשר, כמות האכולוסיה העוברת בין הרמות וקצבה נקבעים על ידי עוצמת השדה החיצוני ומידת התאמת תדירותו להפרש בין רמות האנרגיה.
משך זמן התואם מעבר של האוכלוסייה כולה בין רמה אחת לשנייה מכונה "פולס $\pi$", משך זמן התואם מעבר מחצית מן האוכלוסייה מכונה "פולס ${\frac {\pi }{2}}$".

שימוש באוסצילציות רבי

אוסצילציות רבי נמצאות בשימוש במערכות רבות. לאחר גילוין נעשה שימוש רב באוצילציות רבי בספקטרוסקופיה מולקולרית. במחשוב קוונטי נעשה שימוש בפולס ${\frac {\pi }{2}}$ כדי לממש את השער הלוגי הקוונטי Hadamard וליצור סופרפוזיציה קוונטית בין שני מצבים קוונטיים, ובפולס $\pi$ כדי לממש את השער הלוגי הקוונטי NOT שמשמש כבסיס לקיוביט.

ראו גם

• מכניקת הקוונטים
• תהודה מגנטית גרעינית
• פליטה ספונטנית

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תנודות רבי בוויקישיתוף