התגלה מצב צבירה חדש בחומר דו-מימדי

צוות בינלאומי של חוקרים מצא הוכחה לקיומו של מצב צבירה חדש ומסתורי, כזה שקיומו נחזה לראשונה לפני 40 שנים, בחומר ממשי. מצב צבירה זה, הידוע בשם ‘נוזל של ספין קוונטי’ (quantum spin liquid) גורם לאלקטרונים בתוכו להתפרק

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
צוות בינלאומי של חוקרים מצא הוכחה לקיומו של מצב צבירה חדש ומסתורי, כזה שקיומו נחזה לראשונה לפני 40 שנים, בחומר ממשי. מצב צבירה זה, הידוע בשם ‘נוזל של ספין קוונטי’ (quantum spin liquid) גורם לאלקטרונים בתוכו להתפרק.

צוות החוקרים, לרבות פיזיקאים מאוניברסיטת קיימברידג’, הצליח למדוד את העקבות של שברירי חלקיקים אלו, הידועים בשם פרמיוני מיורנה בתוך חומר דו-מימדי שמבנהו דומה למבנה של גרפן. התוצאות הניסיוניות שלהם תואמות להפליא את אחד מהמודלים התיאורטיים העיקריים עבור נוזל של ספין קוונטי, מודל Kitaev. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב-העת המדעי Nature Materials. נוזלים של ספין קוונטי מהווים מצב צבירה מסתורי “המתחבא” בתוך חומרים מגנטיים מסוימים, למרות שהוא מעולם לא נצפה באופן רשמי בטבע.

הצפייה באחת מהתכונות המרתקות ביותר של מצב צבירה זה בחומרים ממשיים – התפצלות אלקטרונים – מהווה פריצת דרך. החלקיקים המתקבלים מכך, פרמיוני מיורנה, יוכלו לשמש כאבני בניין של מחשבים קוונטיים, כאלו שיהיו מהירים הרבה יותר מהמחשבים של ימינו. “זהו מצב צבירה קוונטי חדש של חומר, כזה שנחזה בעבר אך מעולם לא נראה עד כה,” אמר אחד מהחוקרים מאוניברסיטת קיימברידג’.

בחומר מגנטי רגיל, כל אחד מהאלקטרונים מתנהג כמו מגנט זעיר. כאשר חומר מקורר לטמפרטורה מספיק נמוכה, המגנטים הללו יתארגנו באופן מסודר לאורך טווח נרחב, כך שכל הקטבים הצפוניים ייפנו לאותו הכיוון. אולם, בחומר המכיל מצב של נוזל ספין, אפילו אם מקררים את החומר לאפס המוחלט, המגנטים הזעירים לעולם לא יתארגנו בסדר קבוע, אלא יצרו ערבוביה כתוצאה מתנודות קוונטיות. “עד לאחרונה, אפילו לא ידענו כיצד אמורות להראות טביעות האצבע של נוזל של ספין קוונטי”, אמר אחד מהחוקרים. החוקרים השתמשו בשיטות של פיזור נויטרונים תוך בדיקת התכונות המגנטיות של אבקת רותניום-כלוריד שנחשפה לקרינת נויטרונים, וצפייה בתבנית ההתאבכות שהנויטרונים יצרו על גבי המסך בעודם מתפזרים מהדוגמה. מגנט רגיל יוליד קווים חדים וברורים, אולם עד כה החוקרים לא ידעו כיצד תיראה תבנית הקווים של פרמיוני מיורנה בנוזל של ספין קוונטי. החיזוי התיאורטי שפורסם ע”י החוקרKnolle בשנת 2014 אודות תבנית הקווים תאם היטב את תוצאות הניסוי: קבלת גבעות רחבות במקום קווים חדים. תוצאות אלו מהוות את ההוכחה הראשונה אי-פעם לקיומו של נוזל ספין קוונטי. “הממצאים שלנו מהווים צעד חשוב בהבנת המצב הקוונטי של החומר”, מסביר החוקר הראשי.

תקציר המאמר
להודעה של החוקרים