פריצת דרך קוונטית עשויה לפתוח את סוד המתכות המוזרות – ואת עתידם של מוליכי-העל

פיזיקאים מאוניברסיטת רייס השתמשו במידע קוונטי מסוג פישר (Quantum Fisher Information) כדי לגלות כיצד השזירה הקוונטית בין אלקטרונים מגיעה לשיאה בנקודה קריטית במתכות מוזרות, ומציעים תובנות חדשות לגבי חומרים מסתוריים אלו.

פיצוח הקוד של המתכות המוזרות

מתכות מוזרות מתסכלות את המדענים כבר עשרות שנים, אך פריצת דרך חדשה של חוקרים מאוניברסיטת רייס מציעה רמז משמעותי: בנקודה קריטית קוונטית מסוימת, האלקטרונים בחומרים אלה הופכים לשזורים יותר מאי-פעם.

בעזרת מידע קוונטי מסוג פישר – כלי מתחום המחשוב הקוונטי – הצוות חשף כיצד השזירה הקוונטית מתעצמת בדיוק בנקודה שבה חוקי החשמל הרגילים קורסים. גישה חדשנית זו לא רק מאירה באור חדש את עולמן המוזר של מתכות אלו, אלא גם פותחת אפשרויות למוליכי-על מהדור הבא ולטכנולוגיות חסכוניות באנרגיה.

השזירה הקוונטית במרכז התעלומה

בשונה ממתכות רגילות כמו נחושת או זהב, המתנהגות באופן צפוי, מתכות מוזרות מתנהגות בצורה בלתי סדירה. התכונות החשמליות שלהן אינן ניתנות להסבר פשוט באמצעות הפיזיקה הקלאסית. כדי לחקור זאת, הצוות, בהובלת פרופ' קימיאו סי, השתמש במושג שנקרא מידע קוונטי מסוג פישר (QFI), כלי המגיע מתחום המטרולוגיה הקוונטית, המסייע לעקוב אחרי שינויים באינטראקציות האלקטרונים בתנאים קיצוניים.

התוצאות הראו כי שזירת האלקטרונים, תופעה יסודית במכניקת הקוונטים, מגיעה לשיאה בנקודה המכונה "נקודה קריטית קוונטית" – הגבול שבין שני מצבי צבירה שונים.

"הגילויים שלנו חושפים שלמתכות המוזרות יש דפוס ייחודי של שזירה, המציע עדשה חדשה להבין את התנהגותן האקזוטית", אמר סי. "על ידי מינוף תורת המידע הקוונטי, אנו חושפים קורלציות קוונטיות עמוקות שהיו בלתי נגישות עד כה."

גישה חדשה לחקר מתכות מוזרות

ברוב המתכות, האלקטרונים נעים בצורה מסודרת בהתאם לחוקי פיזיקה מוכרים. מתכות מוזרות שוברות חוקים אלו, ומציגות התנגדות יוצאת דופן ובלתי מוסברת לחשמל בטמפרטורות נמוכות מאוד. החוקרים התמקדו במודל תיאורטי הקרוי "סריג קונדו" (Kondo lattice), המתאר את האינטראקציות בין מומנטים מגנטיים לבין האלקטרונים המקיפים אותם.

בנקודת מעבר קריטית מסוימת, האינטראקציות נעשות אינטנסיביות עד כדי כך שחלקיקי קוואזי (quasiparticles), אבני הבניין הבסיסיות של ההתנהגות החשמלית, נעלמים. בעזרת QFI, החוקרים זיהו כי מקור ההיעלמות של חלקיקים אלו הוא בשזירת הספינים של האלקטרונים, ומצאו כי השזירה מגיעה לשיאה בדיוק בנקודה קריטית זו.

גישה חדשנית זו מיישמת את ה-QFI, שבדרך כלל משמש במדעי המידע הקוונטי ובמדידות מדויקות, לחקר מתכות. "באמצעות שילוב מדעי המידע הקוונטי עם פיזיקת מצב מוצק, אנחנו מייצרים כיוון חדש במחקר החומרים", אמר סי.

דרך אפשרית לאנרגיה יעילה יותר

החישובים התיאורטיים של החוקרים תאמו במפתיע תוצאות ניסויים אמיתיים, ובמיוחד נתונים מפיזור נייטרונים בלתי אלסטי, שיטה לחקירת חומרים ברמה האטומית. הקשר הזה מחזק את ההשערה כי לשזירה הקוונטית תפקיד מרכזי בהתנהגותן של מתכות מוזרות.

הבנת המתכות המוזרות אינה רק אתגר מדעי, אלא עשויה להוביל לתועלות טכנולוגיות משמעותיות. חומרים אלו קרובים מבחינה תכונתית למוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, שלהם פוטנציאל להולכת חשמל ללא איבודי אנרגיה. הבנתם עשויה לחולל מהפכה ברשתות החשמל ולהפוך את הולכת האנרגיה ליעילה יותר.

המחקר גם מדגים כיצד כלי מידע קוונטיים יכולים להיות מיושמים לחקר חומרים אקזוטיים נוספים. מתכות מוזרות עשויות למלא תפקיד מרכזי בטכנולוגיות קוונטיות עתידיות, שבהן שזירה משופרת היא משאב יקר ערך. המחקר מספק מסגרת חדשה לאפיון חומרים מורכבים אלו על ידי איתור רגע השיא של השזירה הקוונטית.