ידענים: פיסיקה קוונטית

מאת 9 במאי 2017 7 תגובות

האם חלקיקים מדומים מסיעים אנרגיה ב"מנות" קבועות, כפי שעושים זאת חלקיקים חופשיים אמיתיים דוגמת האלקטרון?

מימין לשמאל: אמיר רוזנבלט, ד"ר מיטלי בנרג'י, ד"ר דיאנה מהלו, פרופ' עדי שטרן, ד"ר ולדימיר אומנסקי, פרופ' יובל אורג ופרופ' מוטי הייבלום. מקור: מגזין מכון ויצמן.

מימין לשמאל: אמיר רוזנבלט, ד"ר מיטלי בנרג'י, ד"ר דיאנה מהלו, פרופ' עדי שטרן, ד"ר ולדימיר אומנסקי, פרופ' יובל אורג ופרופ' מוטי הייבלום. מקור: מגזין מכון ויצמן.

מעט אחרי חצות צילצל הטלפון בביתו של פרופ' מרדכי (מוטי) הייבלום, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע. על הקו הייתה החוקרת הבתר-דוקטוריאלית, ד"ר מיטלי בנרג'י. "זה עובד", אמרה. כך הגיע רגע השיא במאמץ מחקרי שנמשך כשנתיים, ובמסגרתו, לפי עדותה של ד"ר בנרג'י, "מוטי עבד לילות שלמים במעבדה, כמו סטודנט צעיר לדוקטורט". כך הצליחו החוקרים להוכיח, שחלקיקים מדומים (קוואזי-חלקיקים), אשר נושאים מטענים חשמליים שבריים (שבר ממטען האלקטרון), או אפילו חלקיקים חסרי מטען, נושאים איתם אותה כמות חום (אנרגיה) כמו חלקיקים אמיתיים, דוגמת אלקטרונים ופוטונים.

מחקר זה נשען על סדרת תגליות קודמת של פרופ' הייבלום ושותפיו למחקר. בתחילה הצליחו המדענים להוכיח – באמצעות ניסוי – תחזית תיאורטית מפתיעה (דבר שתרם לכך שיוצר התיאוריה זכה בהמשך בפרס נובל). לפי תיאוריה זו, במערכת של תופעת הול הקוונטית השברית נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים (או קבוצות) של אלקטרונים המתַפקדים כ"חלקיקים מדומים", שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד: שליש ממטען האלקטרון, חמישית או שביעית ממנו (למעשה, החלקיקים ה"מדומים" מתַפקדים כחלקיקים אמיתיים לכל דבר). בניסויי המשך הצליחו המדענים להראות, שבמערכת זו – של תופעת הול הקוונטית השברית – קיימים גם חלקיקים מדומים אחרים, שמטענם החשמלי שווה לרבע ממטען האלקטרון (כלומר, הוא בעל מכנה זוגי). ואז, סדרת ניסויים נוספת נתנה בידיהם את הוכחת התיאוריה, שגרסה כי באותה מערכת עשויים להתקיים גם חלקיקים מדומים שונים לחלוטין, שאינם נושאים מטען חשמלי (כלומר, הם ניטרליים), אשר נושאים אנרגיה – ונעים בדרך כלל בכיוון הפוך לכיוון הזרם החשמלי.

המאפיין הבולט ביותר של תופעת הול הקוונטית (וכן הנגזרת שלה, תופעת הול הקוונטית השברית), הוא הדיוק הכמעט מושלם. כלומר, המוליכות החשמלית שבה נמדדת במנות מדויקות (הנקבעות לפי מטען האלקטרון וקבוע פלנק בלבד). הסטייה ממנות אלו מגיעה לעיתים למיליארדית אחת בלבד. אבל האם התכונה הזאת – הופעה של מוליכות חשמלית במנות קצובות ומדויקות – מאפיינת גם את הולכת החום במערכת?

על הקו הייתה החוקרת הבתר-דוקטוריאלית, ד"ר מיטלי בנרג'י. "זה עובד", אמרה. כך הגיע רגע השיא במאמץ מחקרי שנמשך כשנתיים, ובמסגרתו, לפי עדותה של ד"ר בנרג'י, "מוטי עבד לילות שלמים במעבדה, כמו סטודנט צעיר לדוקטורט"

לפי תיאוריה שהועלתה לפני כ-20 שנה, חלקיקים חופשיים, דוגמת אלקטרונים, פוטונים או פונונים, הנעים ללא התנגשויות, מוליכים (או מסיעים) חום באותה כמות וב"מנות" קבועות. פרופ' הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו, בשיתוף עם התיאורטיקאים פרופ' יובל אורג ופרופ' עדי שטרן ממכון ויצמן למדע, ופרופ' ולדימיר (דימה) פלדמן מאוניברסיטת בראון בארצות הברית, ביקשו לבחון את התיאוריה הזאת, ולבדוק אם החום המוסע במערכת על-ידי חלקיקים מדומים שבריים או ניטרליים אכן מופיע גם הוא במנות קצובות מדויקות; ובעיקר, לבדוק אם אינו תלוי כלל במטען החשמלי של החלקיקים שנושאים אותו.

המדענים, ובהם מדעני הסגל ד"ר ולדימיר אומנסקי וד"ר דיאנה מהלו, ותלמיד המחקר אמיר רוזנבלט, הראו שהחום אכן מוסע במנות מדויקות, התלויות אך ורק בגדלים אוניברסליים כמו קבוע בולצמן, קבוע פלנק והערך המתמטי "פיי". יתרה מזאת: לעיתים, בעוד הזרם החשמלי נע – ומסיע גם חום – בכיוון מסוים, חלקיקים מדומים חסרי מטען, נעים – ונושאים חום – בכיוון הפוך. כפי שנמדד, במצבים קוונטיים מסוימים, כמות החום שהאחרונים נושאים גדולה מכמות החום שנושא הזרם החשמלי, ולכן, "בשוּרה התחתונה", החום אינו מוסע בכיוון הזרם החשמלי, אלא בכיוון ההפוך. תופעה קוונטית זו מנוגדת לתפיסה המוכרת בפיסיקה הקלאסית.

הבנת הדרך שבה החום מוסע, ומדידת מוליכות החום הקוונטית, מוסיפה מידע חשוב על המצב הקוונטי של המערכת, שאי-אפשר היה לקבל עד כה באמצעים האחרים שעמדו לרשות המדענים. תוצאה זו פותחת אפשרויות רבות לניסויים עתידיים אשר עשויים להרחיב את הידע בתחום זה.

7 תגובות ל “מנות קצובות של חום”

  1. יואב

    ליב דוידוביץ לנדאו. והוא העביר את הלפיד למדען דגול אחר תלמיד שלו: יבגני מיכאלוביץ ליפשיץ. לנדאו ליפשיץ ופיטייבסקי הם האחראים לסידרה הוותיקה אך היפה כל כך בפיזיקה – כ-10 כרכים בפיזיקה, בהוצאת פרגמון.
    לסידרה זו לא היה המשך לאחר התמוטטות ברית המועצות ולכן היא מגיעה עד אלקטרו-דינמיקה קוונטית. היו ימים שהמדע ברוסיה, הכתיב את הכיוון העולמי. תור-זהב בניצוח קומוניסטי אגב. היום המערב הוא המכתיב את הטון בפיזיקה של חומר מעובה, וההודים והסינים נושכים בעקביו.

  2. יואב

    שימוש בפיזיקה מזוזסקופית – של התקני ננו מטר, להתבוננות באפקטים קוונטיים, ובמעבר קוונטי לקלסי היא מעוררת התפעלות. בעבר תיאורית נוזל פרמי – שילוב של תורת הקוונטים עם מערכת מרובת חלקיקים, פותחה לתיאור על-נוזל מימן ששימש לקירור כורים גרעיניים. פרופסור קאפיצה היה מוביל הפרויקט, והוא הציל את לנדאו ב 1938, לאחר שהעז להביע דעות כלשהן נגד הממשל הסוביטי (שיר בחרוזים) ועוד היה יהודי. סטאלין היה אנטישמי. כיום תיאורית נוזל פרמי, מה שנקרא בהכללה: פיזיקה של חומר מעובה, היא כלי הכרחי לחישובים בהתקנים ננו מטריים. לנדאו קיבל נובל 1962 על פיתוח תיאוריה ענקית, שפורחת כיום ותרומתה לא פחות מתורת היחסות הכללית, ותורת המיתרים. ו-3 פרסי סטאלין. אותו סטאלין שרצה להכניס אותו למחנה. בסוף לנדאו השתתף בתאונת דרכים קשה ולא שב ליכולותיו הקודמות.

  3. יוסף

    מיטלי בנרג'י זו חוקרת הודית במקור מבנגלור הודו שמבצעת פוסט-דוקטורט בישראל.
    יש פוסטדוקטורנטים מהתעשייה בישראל. מן הראוי לדעתי היה קצת לחדד. לא ניתן להבין מהמאמר שזו לא מיטל בנרג'י ישראלית שדיברה עם מוטי הייבלום בערב בעברית אלא מיטלי בנרג'י הודית שמן הסתם שוחחה איתו באנגלית. אולי רצו לשמר את התגלית ישראלית.

  4. יוסף

    קורות החיים של פרופסור הייבלום כפי שמסופרים בויקיפדיה מעוררי התפעלות. כשהייתי סטודנט לתואר שני בטכניון 1998, הוא כבר היה מפורסם.

  5. ירון

    הנ"ל על דעתי בלבד:
    הקווזי-חלקיקים שאותם הגה ראשון ליב דוידויץ לנדאו לתיאורית נוזל פרמי, ייתכן שאינם בדיוק חלקיקים ווירטואליים במובן שאינם קיימים. למרות שכבר בספר הלימוד של ליפשיץ פיזיקה סטטיסטית כרך ב, כתוב שהם ווירטואליים. סביר שיש שם חלקיקים – נושאי מטען/ספין בפועל. גם 2 אלקטרונים בזוג היוצרים קווזי-חלקיק חדש, עם ספין חדש הם חלקיק.הם נקראים קווזי-חלקיק במובן שלא ניתן לשייך אלקטרון ולקרוא לו יוסי, ולומר יוסי ברמה אנרגיה תנע m,n. הניסוי מדגים שיש שם חלקיק ברמה כזו, אלא שהוא קוונטי.וגם "החלקיקים נושאי האנרגיה" הם קוונטיים. הפוטונים של שדה אלקטרו-מגנטי, הפונונים של תנודות שריג. הכל שם במנות: האנרגיה, התנע, וחום ההולכה, ותנודות השריג בחומר גם מקונטטות. החלקיקים נושאי המטען.
    כבר פלנק הוכיח שכדי שהנוסחא לקרינת גוף שחור תהיה נכונה, היא צריכה להיות מקונטטת. ההבדל אם
    כך לדעתי שהם מסוגלים לראות קוונט של חום, וחלקיק עם ספין שבר, כי הם עוסקים מן הסתם במה שמכונה מבנים קוונטיים – תיבות שממדיהן קוונטיות לפחות ב-2 צירים אם לא בשלושה.

  6. ירון

    האנשים בתמונה הם בסדר הפוך. מוטי הייבלום מימין.
    כמו שקורה התגלית תלך בעיקר לראש הצוות. כך עשה בתה לתלמידו כאשר הוכיח ראיות למפץ הגדול מתוך חישוב שיעורי היסודות ביקום. אולי יתנו לה משרה באקדמיה -בהצלחה.

  7. א.בן נר

    יש לי השערה והיא, ש:
    הולכת האנרגיה ע"י החלקיקים המדומים, הנה הביטוי
    המיקרוסקופי-קוונטי לתופעה המקרוסקופית של התנגדות חשמלית.
    לכן, יתכן כי כעת יש לבצע את ניסוי שיבדוק אם מוליכות אנרגיה של חלקיקים מדומים קיימת גם במולכי על, שהם חסרי התנגדות חשמלית.

הוספת תגובה

  • (will not be published)