אתם מכירים את מצבי החומר שאנו נתקלים בהם מדי יום - כגון מוצק, נוזל וגז - אבל בתנאים אקזוטיים וקיצוניים יותר, מצבים חדשים יכולים להופיע, ומדענים מארה"ב ומסין מצאו אחד. הם קוראים לו מצב הבוז-נוזל הכיראלי (chiral bose-liquid), וכמו בכל סידור חדש של חלקיקים שאנו מגלים, הוא יכול לספר לנו יותר על המרקם והמנגנונים של היקום סביבנו - ובפרט, בקנה המידה הקוונטי הסופר-קטן.
מצבי חומר מתארים כיצד חלקיקים יכולים לקיים אינטראקציה זה עם זה, מה שיוצר מבנים ודרכי התנהגות שונות. נעלו אטומים במקום, ויש לכם מוצק. תנו להם לזרום, יש לכם נוזל או גז. נתקו חיבורים טעונים, יש לכם פלזמה. הנוף הקוונטי מספק דרכים מוזרות עוד יותר לאינטראקציה בין חלקיקים, מה שמאפשר התנהגויות ייחודיות המתוארות בצורה הטובה ביותר במונחים של אפשרות ואנרגיה.
חוקרים גילו את המצב החדש באמצעות מערכת קוונטית מתוסכלת (frustrated quantum system). במילים פשוטות, מדובר במערכת עם אילוצים מובנים שמונעים מחלקיקים לקיים אינטראקציה כפי שהם עשויים בדרך כלל (ומכאן התסכול). אילוצים אלה - והתסכול הנובע מכך - יכולים ליצור תוצאות מרגשות עבור מדענים. כאן, החוקרים התמקדו באלקטרונים והשתמשו באנלוגיה של משחק מסיבה כדי להסביר מה קורה.
"זה כמו משחק של כיסאות מוזיקליים, שנועד לתסכל את האלקטרונים", אומר הפיזיקאי התיאורטי של חומר דחוס טיגראן סדרקיאן (Tigran Sedrakyan) מאוניברסיטת מסצ'וסטס אמהרסט. "במקום שלכל אלקטרון יהיה כיסא אחד ללכת אליו, הם חייבים עכשיו להתערבל ויש להם הרבה אפשרויות למקום שבו הם ישבו".
חוקרי המערכת הרכיבו התקן מוליכים למחצה עם שתי שכבות: שכבה עליונה עשירה באלקטרונים ושכבה תחתונה עם הרבה חורים זמינים שהאלקטרונים יכולים לנוע אליהם באופן טבעי. הטוויסט? אין מספיק חורים לכל האלקטרונים. למרות שסוג זה של מערכת עדיין קשה לתצפית, הצוות השתמש בשדה מגנטי חזק במיוחד כדי למדוד כיצד האלקטרונים נעים, וחשף את העדות הראשונה למצב הבוז-נוזל כיראלי החדש.
"בקצה הדו-שכבתי של מוליכים למחצה, אלקטרונים וחורים נעים באותן מהירויות", אומר הפיזיקאי לינג'י דו (Lingjie Du) מאוניברסיטת נאנג'ינג בסין. "זה מוביל להובלה דמוית סליל, אשר יכולה להיות מווסתת יותר על ידי שדות מגנטיים חיצוניים כאשר האלקטרון ותעלת החור מופרדים בהדרגה תחת שדות גבוהים יותר".
מצב חדש זה חשף כמה מאפיינים מעניינים למדי. לדוגמה, אלקטרונים יקפאו לתבנית צפויה ולכיוון ספין קבוע באפס מוחלט ולא ניתן יהיה להפריע להם על ידי חלקיקים אחרים או שדות מגנטיים. היציבות הזו עשויה לשמש ליישומים במערכות אחסון דיגיטליות ברמה קוונטית.
יתרה מכך, חלקיקים חיצוניים המשפיעים על אלקטרון אחד יכולים להשפיע על כל האלקטרונים במערכת, הודות לשזירה קוונטית ארוכת טווח יחסית. זה כמו לזרוק כדור לבן לתוך מקבץ כדורי ביליארד וכל הכדורים האלה נעים באותו כיוון בתגובה - עוד ממצא שיכול להיות שימושי.
למרות שכל זה כרוך בפיזיקה ברמה גבוהה מאד, כל תגלית כזו - המוזרויות ומקרי הקצה המתרחשים מחוץ לגבולות של אינטראקציות חלקיקים נפוצות - מקרבת אותנו להבנה מלאה של העולם שלנו. "אתה מוצא מצבים קוונטיים של חומר הרחק בשוליים האלה, והם הרבה יותר פראיים משלושת המצבים הקלאסיים שאנו פוגשים בחיי היומיום שלנו", אומר סדרקיאן.
מקור:
