חומר מוזר נחשף כבעל מצב קוונטי חבוי שלא ניתן להפוך במראה

כיראליות - תכונה של אובייקט השונה מדמות המראה שלו - ריתקה שנים מדענים מתחומי הביולוגיה, הכימיה והפיזיקה. תופעה זו מכונה לעיתים "יד דומיננטית" (handedness), משום שהיא מתארת אובייקט בעל מבנה ברור של "יד שמאל" או "יד ימין". מדובר בתכונה אוניברסלית המצויה בקני מידה שונים בטבע, ממולקולות וחומצות אמינו, דרך סליל הדנ"א הכפול המפורסם, ועד לדפוסי הספירלה של קונכיות חלזונות.

התרשמות אמן של הגל הכיראלי על פני חומר סריג הקאגומה / Credit: Shafayat Hossain and Zahid Hasan Lab

כעת, חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון חשפו מצב קוונטי כיראלי חבוי בחומר שנחשב עד כה כחסר כיראליות. הממצא שופך אור חדש על מחלוקת עזה בקהילת הפיזיקה, ומרחיב את הבנתנו לגבי מה אפשרי במרחב הקוונטי.

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications, הצוות בהובלת פרופ’ מ. זהיד חסן (M. Zahid Hasan), פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת פרינסטון, השתמש במיקרוסקופ חדש שפותח, סורק זרם פוטו-אלקטרי (SPCM – scanning photocurrent microscope), כדי לחשוף את שבירת הסימטריות החמקמקה שמתחת לגל צפיפות מטען בחומר הטופולוגי KV₃Sb₅, הבנוי בסריג קאגומה (Kagome lattice).

ממצאיהם מסייעים ליישב מחלוקת ארוכת שנים בשאלה האם חומרים מסוג זה יכולים לשבור סימטריה באופן ספונטני וליצור מצבים קוונטיים כיראליים - גילוי שעשוי לסלול את הדרך לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות חדשות.

בעוד שתופעה דומה נצפתה בעבר במערכות שאינן טופולוגיות, זו הפעם הראשונה שנרשמה שבירת סימטריה כיראלית בחומר קוונטי טופולוגי בתצורתו הגולמית. "זה קצת כמו לכוון את טלסקופ ג'יימס ווב לעבר העולם הקוונטי ולגלות משהו חדש", אמר חסן. "אנחנו סוף סוף מצליחים לראות השפעות קוונטיות עדינות שנשארו חבויות בחומר קוונטי טופולוגי".

סריג הקאגומה הוא תבנית גאומטרית דו-ממדית המורכבת ממשולשים המחוברים בקוקודיהם. הוא קרוי על שם דגם אריגת במבוק יפני מסורתי ונחשב זה זמן רב לפלטפורמה מרכזית לחקר מופעים קוונטיים אקזוטיים. במשך זמן רב נחשב סריג הקאגומה כלא-כיראלי מטבעו - כלומר, חסר "יד דומיננטית". אולם בשנת 2021 השתמשה קבוצתו של פרופ’ חסן במיקרוסקופ מנהור סורק (STM) ברזולוציה גבוהה, וחשפה כי בתנאים מסוימים, החומר KV₃Sb₅ יוצר באופן ספונטני גל צפיפות מטען יוצא דופן - תנודות מחזוריות בצפיפות האלקטרונים.

הגילוי הזה, שהוביל למאמר בכתב העת Nature, העלה שאלות מרתקות: האם ייתכן שכיראליות - בצורת סדר מטענים - יכולה להיווצר על גבי סריג קאגומה שאינו כיראלי מעצם טבעו? מאמר זה נחשב כיום לאחד משלושת המאמרים המצוטטים ביותר בתחום, בשל הסוגיות החדשות שהוא עורר.

"סדר מטען ספונטני" בפיזיקה הוא סוג של מעבר פאזה (בדומה להפיכת מים לקרח), שבו מטענים חשמליים מסתדרים בתבניות לא אקראיות. במילים אחרות, מצב מסודר נוצר מתוך מצב כאוטי באמצעות תהליך הנקרא "שבירת סימטריה ספונטנית". אולם, זיהוי הסימטריות הספציפיות שנשברות במהלך מעבר זה התברר כמשימה קשה במיוחד בקבוצות מסוימות של חומרים טופולוגיים. ההבדלים הדקים בין מצבים קוונטיים בעלי "יד שמאל" לעומת "יד ימין" בחומרים קוונטיים מסוג זה חמקו מזה זמן רב משיטות המדידה הקונבנציונליות. כדי להתמודד עם האתגר, פיתחו הדוקטורנט דזי-ג'יה צ'נג (Zi-Jia Cheng) והפוסט-דוקטורנט שפאיאט חוסיין (Shafayat Hossain) - שניים מהמחברים המובילים של המחקר - מיקרוסקופ סורק זרם פוטו-אלקטרי (SPCM), המסוגל לזהות את התגובה האלקטרומגנטית הלא-ליניארית של החומר הטופולוגי הנחקר, תחת הארה באור מקוטב מעגלית.

המיקרוסקופ הזה שונה ממיקרוסקופ מנהור סורק (STM), המשמש לרוב בניסויים מסוג זה. אמנם ל-SPCM אין אותה רזולוציה גבוהה כמו ל-STM, אך הוא יעיל במיוחד כאשר המטרה היא לאפיין חומרים פעילים אופטית ולחקור את תגובתם הפוטו-אלקטרית בקנה מידה מקומי. שילוב בין SPCM ל-STM מאפשר לקבל תמונה מלאה של פונקציית הגל הקוונטית הרב-גופית (many-body quantum wavefunction).

תצפית על האפקט הפוטו-גלווני המעגלי האורכי ב-KV₃Sb₅ / קרדיט: Nature Communications (2025)

"במערך הזה אנחנו מאירים וממקדים אור קוהרנטי על הדגימה, המונחת בתוך התקן קוונטי שתוכנן במיוחד, וכאשר האור מקיים אינטראקציה עם הדגימה - נוצר זרם פוטו-אלקטרי שאותו אנחנו מודדים", הסביר פרופ' חסן. יחד עם הפוסט-דוקטורנט לשעבר צ'י ג'אנג (Qi Zhang), יצרו החוקרים גבישים קוונטיים נקיים במיוחד, וקיררו אותם לטמפרטורה קיצונית של 4 מעלות קלווין לשם המדידות.

בטמפרטורות גבוהות, לא ניכרה העדפה בין אור מקוטב מעגלית לימין לבין זה שמקוטב לשמאל. אך כאשר החומר הוקפא מעבר לטמפרטורת מעבר גל צפיפות המטען - התרחש שינוי מרשים: הזרם פוטו-אלקטרי הפך לכיראלי, כלומר הוא הגיב באופן שונה בהתאם ל"יד הדומיננטית" של האור, תופעה הידועה בשם אפקט פוטו-גלווני מעגלי (Circular Photogalvanic Effect) - חתימה ברורה לכיראליות.

החוקרים הצליחו להבחין בכך באמצעות הקרנת אור קוהרנטי מקוטב לימין על הסריג ומדידת הזרם, ולאחר מכן ביצוע אותו תהליך עם אור מקוטב לשמאל. נרשם הבדל מובהק בין שני המקרים. "המדידות שלנו מצביעות ישירות על שבירת סימטריות של היפוך ומראה, ומאירות את אופיו הטופולוגי של החומר הקוונטי שבו מופיע סדר מטענים", אמר צ'נג. "זהו אישוש חד-משמעי לכך שלראשונה הוכח קיומו של מצב כיראלי פנימי בתוך חומר טופולוגי בעל סדר מטענים". למרות זאת, הסבר לתופעה עדיין נותר חמקמק. "אישרנו את קיומה של התופעה", הוסיף חסן, "אבל עדיין אין בידינו תיאוריה קפדנית שמסבירה מדוע היא מתרחשת. אנחנו עדיין לא מבינים את זה לגמרי".

עם זאת, להשלכות יש פוטנציאל החורג הרבה מעבר למדע הבסיסי. לדברי חסן, מצבים קוונטיים כיראליים עשויים יום אחד להוות בסיס לטכנולוגיות חדשות בתחום האופטו-אלקטרוניקה והפוטו-וולטאיקה. "מפתיע שמצב כיראלי שמופיע באופן ספונטני מצליח לייצר תגובה כל כך חזקה - כזו שמעולם לא דווחה בעבר", אמר. "העבודה הזו גם מדגימה שמדידות אלקטרומגנטיות מסדר שני הן כלי עוצמתי לזיהוי שברירי סימטריה עדינים בחומרים טופולוגיים".

שבירת סימטריה חשובה מפני שהיא מסבירה כיצד מצבים מסודרים נוצרים בטבע, והבנת המנגנונים של תהליך זה מהווה יעד יסודי במחקר המדעי. תיאוריות סימטריות בפיזיקה הן מסגרות שבהן חוקי היקום נותרים קבועים בתנאים מסוימים. תיאוריות אלו חיוניות להבנת היקום, והן למעשה מהוות אבן יסוד בקידום המדע כולו.

עם זאת, מרבית העולם הממשי אינו סימטרי, ולכן הבנה של אופן שבירת הסימטריה ותנאיה היא חיונית להבנת תופעות רבות בפיזיקה - כולל מעברי פאזה, מגנטיות, מוליכות-על, והתנהגויות טופולוגיות.

ומה צופן העתיד? חסן אופטימי: "זה רק הסיפתח. עם הכלים הרגישים האלה, מי יודע אילו עולמות נסתרים של חומר קוונטי טופולוגי עוד נגלה".

מקורות:

• קטעים מ- Physicists discover an unusual chiral quantum state in a topological material מאת: phys.org שנכתב ע"י: Princeton University.

• קטעים מ- Peculiar Material Revealed To Have Hidden Quantum State That Can’t Be Flipped In A Mirror מאת IFLScience שנכתב ע"י: Dr. Alfredo Carpineti.

• קטעים מהמחקר-Broken symmetries associated with a Kagome chiral charge order מאת:Nature Communications.