# ניסוי בפרינסטון פורש כעדות לפיצול האלקטרון – מחקרי המשך לא אוששו את הפרשנות

> בהובלת חוקרים מהמכון לפיזיקה באוניברסיטת פרינסטון, פורסמה תגלית ראשונית המחזקת את ההשערה השנויה במחלוקת שהאלקטרון בנוי משני חלקיקים יסודיים: האחד נושא מטען חשמלי שלילי והשני את הספין של האלקטרון. אם אכן הפרשנות נכונה, ההנחה בת יותר ממאה שנה עשויה להמחק ולהכות גלים בקהילה המדעית.

- Canonical: https://www.hayadan.org.il/%d7%a2%d7%93%d7%95%d7%aa-%d7%a8%d7%90%d7%a9%d7%95%d7%a0%d7%99%d7%aa-%d7%9c%d7%94%d7%a9%d7%a2%d7%a8%d7%94-%d7%a9%d7%94%d7%90%d7%9c%d7%a7%d7%98%d7%a8%d7%95%d7%9f-%d7%90%d7%99%d7%a0%d7%95-%d7%97%d7%9c
- Author: ד״ר נועם חי
- Published: 2021-05-21T09:00:00+03:00
- Modified: 2026-10-26T09:55:01+02:00
- Sections: פיזיקה קוונטית
- Topics: אלקטרונים, חלקיקים אלמנטארים, חלקיקים יסודיים, פיזיקה קוונטית, פיסיקת חלקיקים

## Article

במאי 2021 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 להימחק ולהכות גלים בקהילה המדעית. אטום מוקף באלקטרונים. [צילום: depositphotos.com](https://depositphotos.com) 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](https://www.nature.com/articles/s41567-021-01243-x) 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. ## השערתו של פיליפ אנדרסון ונוזלי הספין פיליפ אנדרסון, קרדיט: ויקיפדיה הפיזיקאים מפרינסטון הושפעו מתגליתו של זוכה פרס הנובל פיליפ אנדרסון, שנפטר רק לאחרונה בשנת 2020. אנדרסון הציע 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". הגרף המראה את האוסילציות של מוליכות החום כפונקציה של השדה המגנטי. מתוך המאמר המקורי. 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 ניתן מאוחר יותר השם "ספינון". ## החיפוש אחר הספינון במוליכות החום 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 אנדרסון. "פיזיקאים מחפשים מזה ארבעה עשורים אחר סימנים שיעידו על קיומו של הספינון", סיפר אונג בהתרגשות. "אם אכן הפרשנות הספינונית נכונה, הענף המדעי יצמח פלאים". מחקרי המשך לא אישרו את הפרשנות הספינונית: קבוצתו של הידנורי טאקאגי ([Bruin et al., APL Materials, 2022](https://arxiv.org/abs/2205.15839)) וקבוצתו של לואי טאיפר ([Lefrançois et al., Physical Review B, 2023](https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.064408)) הגיעו למסקנה שהתנודות במוליכות החום של α-RuCl3 אינן תנודות קוונטיות של פרמיונים נטולי מטען, אלא אנומליות הנובעות מרצף של מעברי פאזה מגנטיים המושרים על ידי השדה המגנטי. גם קבוצת פרינסטון עצמה ייחסה מאוחר יותר ([Czajka et al., Nature Materials, 2023](https://doi.org/10.1038/s41563-022-01397-w)) את אפקט הול התרמי בחומר לעירורים בוזוניים דמויי מגנונים, ולא לפרמיונים של נוזל ספין. יש לציין גם שספינונים, אילו נמצאו, הם עירורים קולקטיביים של אלקטרונים רבים בתוך מוצק, ולא רכיבים פנימיים של אלקטרון חופשי – כך שגם בפרשנות המקורית הניסוי לא היווה עדות לכך שהאלקטרון עצמו אינו חלקיק יסודי. הכתבה עודכנה באוקטובר 2026 כדי לשקף מחקרים מ-2022–2023 שלפיהם התנודות שנמדדו נובעות ממעברי פאזה מגנטיים ולא מספינונים, כלומר הפרשנות שהוצגה בכתבה לא אוששה. ## שאלות ותשובות ### מה טוענים החוקרים מפרינסטון לגבי מבנה האלקטרון? לטענתם, תופעה שנצפתה בניסוי מוסברת בהשערה השנויה במחלוקת שהאלקטרון בנוי משני חלקיקים: האחד נושא את המטען החשמלי והשני את הספין. לדברי פרופ' נאי פון אונג, זו העדות המוצקה הראשונה לכך שהספין והמטען מתוארים על ידי חלקיקים נפרדים. מחקרי המשך של קבוצות אחרות (2022–2023) הסיקו עם זאת שהתנודות נובעות ממעברי פאזה מגנטיים ולא מספינונים, והפרשנות לא אוששה. ### מהו נוזל ספין? זוהי פאזה שבה הספינים אינם מסודרים בכיוון יחיד וקבוע, אלא משנים את צירם באופן תדיר אך מתואם עם שאר חלקיקי החומר. גם בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט הספינים בפאזה זו אינם קופאים וממשיכים להתנהג כ"נוזל". ### מהו ספינון? ספינון הוא השם שניתן, בעקבות התאוריה של הפיזיקאי פיליפ אנדרסון, לעירור נושא ספין ללא מטען, שאמור להופיע בנוזל ספין. מדובר בעירור קולקטיבי של אלקטרונים רבים בתוך מוצק, שבו הספין והמטען מתנהגים כאילו נפרדו – ולא ברכיב פנימי של אלקטרון חופשי. ### כיצד נערך הניסוי? החוקרים הניחו חומר המורכב מאטומי כלור ורותניום בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט ובנוכחות שדות מגנטיים עוצמתיים, ומדדו את מוליכות החום שלו. במחקר שנמשך שלוש שנים הם הראו תנודות חלשות במוליכות, שפורשו כתואמות את התאוריה של אנדרסון. מחקרים מאוחרים יותר ייחסו את התנודות לרצף של מעברי פאזה מגנטיים בחומר. ### האם הממצא מוכיח סופית שהאלקטרון אינו חלקיק יסודי? לא. החוקרים עצמם סייגו מראש: "אם אכן הפרשנות הספינונית נכונה". מחקרי המשך של קבוצותיהם של טאקאגי (2022) וטאיפר (2023) הסיקו שהתנודות אינן תנודות קוונטיות של פרמיונים נטולי מטען אלא אנומליות של מעברי פאזה מגנטיים, וקבוצת פרינסטון עצמה ייחסה ב-2023 את אפקט הול התרמי בחומר לעירורים בוזוניים דמויי מגנונים. בנוסף, ספינונים הם עירורים קולקטיביים במוצק ולא רכיבים של אלקטרון חופשי, כך שהאלקטרון נותר חלקיק יסודי. ## עוד בנושא באתר הידען - [התגלה מצב צבירה חדש בחומר דו-מימדי](https://www.hayadan.org.il/new-state-of-matter-detected-in-a-two-dimensional-material-0604164) - [ממצאים חדשים מציגים תמונה מדויקת יותר של זרימת אלקטרונים במצבים קוונטיים](https://www.hayadan.org.il/on-the-edge-1801201) - [מדענים צפו בהיפוך ספיני אלקטרון בתוך 140 טריליוניות השנייה](https://www.hayadan.org.il/ultrafast-spin-switching-antiferromagnetic-mn3sn) - [חתן פרס וולף ג׳ייננדרה ג׳יין בראיון מיוחד: כך הפכו אלקטרונים מסובכים לפרמיונים מרוכבים](https://www.hayadan.org.il/jainendra-jain-composite-fermions-fractional-quantum-hall-effect) - [האמנות הקוונטית של אוטו שטרן](https://www.hayadan.org.il/otto-stern-quantum-art-stern-gerlach)

## שאלות ותשובות

### מה טוענים החוקרים מפרינסטון לגבי מבנה האלקטרון?

לטענתם, תופעה שנצפתה בניסוי מוסברת בהשערה השנויה במחלוקת שהאלקטרון בנוי משני חלקיקים: האחד נושא את המטען החשמלי והשני את הספין. לדברי פרופ' נאי פון אונג, זו העדות המוצקה הראשונה לכך שהספין והמטען מתוארים על ידי חלקיקים נפרדים. מחקרי המשך של קבוצות אחרות (2022–2023) הסיקו עם זאת שהתנודות נובעות ממעברי פאזה מגנטיים ולא מספינונים, והפרשנות לא אוששה.

### מהו נוזל ספין?

זוהי פאזה שבה הספינים אינם מסודרים בכיוון יחיד וקבוע, אלא משנים את צירם באופן תדיר אך מתואם עם שאר חלקיקי החומר. גם בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט הספינים בפאזה זו אינם קופאים וממשיכים להתנהג כ"נוזל".

### מהו ספינון?

ספינון הוא השם שניתן, בעקבות התאוריה של הפיזיקאי פיליפ אנדרסון, לעירור נושא ספין ללא מטען, שאמור להופיע בנוזל ספין. מדובר בעירור קולקטיבי של אלקטרונים רבים בתוך מוצק, שבו הספין והמטען מתנהגים כאילו נפרדו – ולא ברכיב פנימי של אלקטרון חופשי.

### כיצד נערך הניסוי?

החוקרים הניחו חומר המורכב מאטומי כלור ורותניום בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט ובנוכחות שדות מגנטיים עוצמתיים, ומדדו את מוליכות החום שלו. במחקר שנמשך שלוש שנים הם הראו תנודות חלשות במוליכות, שפורשו כתואמות את התאוריה של אנדרסון. מחקרים מאוחרים יותר ייחסו את התנודות לרצף של מעברי פאזה מגנטיים בחומר.

### האם הממצא מוכיח סופית שהאלקטרון אינו חלקיק יסודי?

לא. החוקרים עצמם סייגו מראש: "אם אכן הפרשנות הספינונית נכונה". מחקרי המשך של קבוצותיהם של טאקאגי (2022) וטאיפר (2023) הסיקו שהתנודות אינן תנודות קוונטיות של פרמיונים נטולי מטען אלא אנומליות של מעברי פאזה מגנטיים, וקבוצת פרינסטון עצמה ייחסה ב-2023 את אפקט הול התרמי בחומר לעירורים בוזוניים דמויי מגנונים. בנוסף, ספינונים הם עירורים קולקטיביים במוצק ולא רכיבים של אלקטרון חופשי, כך שהאלקטרון נותר חלקיק יסודי.