עולם קוונטי חדש

צוות פיזיקאים הצליח לצפות במסגרת ניסוי כיצד התכונות האנאיזוטרופיות של חלקיקים מעוותות את משטח פרמי בגז קוונטי. המחקר מספק את הבסיס למחקרים עתידיים באשר לאופן שבו הגיאומטריה של יחסי-הגומלין של חלקיקים עשויה להשפיע על התכונות של מערכת קוונטית.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
צוות פיזיקאים הצליח לצפות במסגרת ניסוי כיצד התכונות האנאיזוטרופיות של חלקיקים מעוותות את משטח פרמי בגז קוונטי. המחקר מספק את הבסיס למחקרים עתידיים באשר לאופן שבו הגיאומטריה של יחסי-הגומלין של חלקיקים עשויה להשפיע
על התכונות של מערכת קוונטית.

צוות פיזיקאים מאוסטריה, בראשותה של החוקרת Francesca Ferlaino, הצליח לצפות במסגרת ניסוי כיצד התכונות האנאיזוטרופיות (תכונות פיזיקליות שונות במישורים שונים) של חלקיקים מעוותות את משטח פרמי בגז קוונטי. המחקר פורסם זה מכבר בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.

התנהגותה של מערכת נקבעת עפ”י תכונות האינטראקציות שלה. מושג חשוב בפיזיקה של מצב מוצק בתיאור התפלגות האנרגיה של אלקטרונים במוצקים הוא משטח פרמי (ויקיפדיה), על שמו של הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי. קיומו של משטח פרמי הוא תוצאה ישירה של עקרון האיסור של פאולי (ויקיפדיה) הקובע ששני פרמיונים לא יכולים להימצא באותו מצב קוונטי בו-זמנית. מבחינה אנרגטית, משטח פרמי מבדיל בין רמות אנרגיה מלאות לרמות ריקות. עבור אלקטרונים וחלקיקים פרמיונים אחרים בעלי אינטראקציות איזוטרופיות – כלומר, תכונות זהות בכל הכיוונים – משטח פרמי הינו כדורי. “זהו המצב הרגיל בטבע ומהווה את הבסיס לתופעות פיזיקאליות רבות,” מסבירה החוקרת הראשית מאוניברסיטת Innsbruck. “כאשר האינטראקציה של החלקיק היא אנאיזוטרופית – כלומר, תלוית-כיוון – ההתנהגות הפיזיקאלית של המערכת משתנה כליל. הכנסת אינטראקציות אנאיזוטרופיות עשויה לעוות את משטח פרמי ואנו חוזים כי יתקבל מבנה אליפסואידי (בצורת אליפסה, דמוי ביצה).” העיוות של משטח פרמי נגרם בשל יחסי הכוחות שבין אינטראקציות מגנטיות חזקות לבין עיקרון האיסור של פאולי. צוות המחקר הצליח להראות במסגרת ניסוי, לראשונה אי-פעם, עיוות מסוג כזה.

במסגרת הניסוי שלהם, החוקרים תחמו גז של אטומי ארביום פרמיוניים במלכודת לייזר וקיררו את המערכת לכמעט האפס המוחלט. היסוד ארביום הינו יסוד מגנטי חזק המשרה התנהגות דו-קוטבית. יחסי-הגומלין שבין אטומים אלו, לפיכך, הם תלויי-כיוון. כאשר החוקרים שחררו את הגז המקורר מאוד מהמלכודת שלו, הם יכלו להסיק מהי צורתו של משטח פרמי מתוך התפלגות התנע של החלקיקים. “אטומי ארביום מתנהגים בדומה למגנטים, כלומר – האינטראקציות שלהם תליות באופן הדוק בכיווניות של התנהלות החלקיקים. הניסוי שלנו מוכיח כי צורתו של משטח פרמי תלויה בגיאומטריה של האינטראקציות והיא כבר לא כדורית,” מסבירה אחת מהחוקרות.

“השאלה הכללית שבה עסקנו במסגרת הניסוי שלנו הייתה כיצד הגיאומטריה של אינטראקציות חלקיק משפיעה על התכונות הקוונטיות של החומר,” מסבירה החוקרת הראשית. מענה לשאלה זו הוא בעל חשיבות מרובה לפיזיקאים מענפים שונים של הפיזיקה, למשל – במחקר של מוליכים-למחצה גבוהי-טמפרטורה. “אנו צריכים לקבל הבנה טובה יותר באשר לתכונות אלו על מנת לפתח מערכות קוונטיות חדשניות,” מדגישה החוקרת. מערכות של גזים קוונטיים קרים-במיוחד הוכיחו שוב את חשיבותן בתור כלי עבודה אידיאלי בהדמיית תרחישים מורכבים מבחינה קוונטית.

הידיעה המקורית