בשבוע האחרון פורסמה תגלית ראשונית המחזקת את ההשערה השנויה במחלוקת שהאלקטרון בנוי משני חלקיקים יסודיים: האחד נושא את המטען החשמלי השלילי והשני את הספין של האלקטרון. אם אכן הפרשנות נכונה, ההנחה בת יותר ממאה שנה עשויה להמחק ולהכות גלים בקהילה המדעית.
מאז גילוי האלקטרון על ידי ג'יי ג'יי תומסון בשנת 1897, החלקיק המפורסם ביותר בטבע הוכר כחלקיק אלמנטרי. סביר להניח שלא קיים פיזיקאי בעולם שאינו מחשיב את האלקטרון כחלקיק יסודי שלא ניתן לפירוק. ובכל זאת, בניסוי שנערך באוניברסיטת פרינסטון ופורסם במגזין היוקרתי Nature Physics, החוקרים הצביעו על תופעה משונה המוסברת בעזרת הטיעון השנוי במחלוקת שהאלקטרון למעשה בנוי משני חלקיקים שונים. לטענת החוקרים, אחד החלקיקים נושא את המטען החשמלי של האלקטרון והשני נושא את המטען הספינורי. "אנחנו מאמינים שזו העדות המוצקה הראשונה לכך שהספין והמטען מתוארים על ידי חלקיקים נפרדים" מסביר נאי פון אונג, פרופסור מהמכון לפיזיקה בפרינסטון ואחד מכותבי המאמר.
הפיזיקאים מפרינסטון הושפעו מתגליתו של זוכה פרס הנובל פיליפ אנדרסון, שנפטר רק לאחרונה בשנת 2020. אנדרסון הוכיח שקיימים חומרים ייחודיים בעלי פאזה (או בהגייה היומיומית "מצב צבירה") בשם "נוזלי ספין". כדי להבין את טבעו של "נוזל הספין" נזכר במצבי הצבירה המוכרים ביותר בטבע: גז, נוזל ומוצק. מצבי הצבירה מאופיינים בסידור האטומי של החומר. ככל שהטמפרטורה קטנה, החומר נוטה להסתדר, כלומר להתארגן בצורה גבישית ולהתמצק. באופן דומה, הספינים נוטים להסתדר בטמפרטורות נמוכות.
בפשטות, ספין הוא שם נרדף למגנט הפנימי של חלקיקי הטבע, אותו ניתן לדמות למוט מגנטי. כדי שחומר יבטא תכונות מגנטיות, הצפון המגנטי של כל החלקיקים חייב להיות מכוון לכיוון אחיד. בדומה למוצק, בטמפרטורות נמוכות הספינים נוטים להתכוונן לאותו ציר. בטמפרטורות גבוהות לעומת זאת, הספינים מסתדרים בכיוונים רנדומיים לחלוטין. "נוזל ספיני" הינו שלב ביניים בין שני קיצונים אלה, הספינים אינם מסודרים לכיוון יחיד וקבוע, אלא משנים את צירם באופן תדיר אך מתואם עם שאר חלקיקי החומר. בפאזה זו, התיאום בין הספינים מבטא "שזירה" רב חלקיקית. נציין שכאשר החומר מבטא פאזה נוזלית לספינים, הוא אינו מסוגל להקפיא את כיוונם, כלומר גם בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט, הספינים מתנהגים כ"נוזל".
התיאור המתמטי של הנוזל הספינורי אילץ את אנדרסון בשנת 73' להניח שלאלקטרון מבנה פנימי המורכב משני חלקיקים אלמנטריים. האחד נושא את המטען החשמלי של האלקטרון והשני מכיל את הספין שלו. לחלקיק נושא הספין העניק אנדרסון את השם "ספינון".
בניסוי הנוכחי, הפיזיקאים חיפשו אחר סימנים להימצאו של הספינון בנוזל ספינורי המורכב מאטומי כלור ורותניום. כדי ליצור פאזה נוזלית לספינים, החוקרים הניחו את החומר בסביבה קיצונית בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט (סביב מינוס 273 מעלות צלזיוס) ובנוכחות שדות מגנטיים עוצמתיים. לקצוות החומר חובר מד טמפרטורה כדי לבחון את מוליכות החום. התאוריה של אנדרסון חוזה שאם ספינונים קיימים, מוליכות החום משתנה באופן תנודתי כפונקציה של השדה המגנטי. התנודות, כפי שאנדרסון הראה, חלשות מאוד ולכן מצריכות מדידות רגישות ומדויקות במיוחד. במחקר שנמשך לאורך שלוש שנים, החוקרים מפרינסטון הצליחו להראות תנודות במוליכות בהתאמה גבוהה לתאוריה של אנרדרסון.
"פיזיקאים מחפשים מזה ארבעה עשורים אחר סימנים שיעידו על קיומו של הספינון", סיפר אונג בהתרגשות. "אם אכן הפרשנות הספינונית נכונה, הענף המדעי יצמח פלאים".
עוד בנושא באתר הידען: