גל הקוונטים האל-מותי: פיזיקאים חוזים צורה חדשה של סוליטון בגז אולטרה-קר

גלים בודדים שמגיעים למרחקים ארוכים בלי לאבד את צורתם או לגווע הם סוג מיוחד של גלים הנקראים סוליטונים. אמנם גלים אינסופיים אלו הם אקזוטים דיים, אך יש תיאורטיקנים הסוברים כי יש סוג נוסף של סוליטונים עוד יותר מיוחדים

סוליטונים
סוליטונים

גלים בודדים שמגיעים למרחקים ארוכים בלי לאבד את צורתם או לגווע הם סוג מיוחד של גלים הנקראים סוליטונים. אמנם גלים אינסופיים אלו הם אקזוטים דיים, אך תיאורטיקאים מהמכון לחקר קוונטים (JQI), בשיתוף פעולה עם המכון הלאומי לסטנדרטים וטכנולוגיה (NIST), אוניברסיטת מרילנד, ומדענים הודים, מאמינים שאולי ישנו סוג נוסף של סוליטונים שהם אף יותר מיוחדים.

מצפים למצוא אותם בגזים אולטרה-קרים מסוימים. הסוליטונים החדשים לא עוסקים רק בגלים נדירים באטומים נמוכי טמפרטורה, הם גם יספקו תובנה מעמיקה בנוגע למערכות פיזיקליות אחרות, כולל היקום הקדום.

סוליטונים יכולים להיווצר בכל מקום. ב-1830, מדען סקוטי בשם ג'ון סקוט ראסל גילה אותם לראשונה כאשר הוא רכב לאורך תעלה צרה, שם הוא ראה גל ששומר על צורתו על פני מרחק גדול, במקום לגווע ולהיעלם. התופעה ה- "סינגולרית ויפה", כפי שראסל תיאר אותה, נצפתה מאז, נוצרה ונוצלה במערכות רבות, כולל גלי אור בסיבי טלקומוניקציה אופטיים, בגלים ויבראציונים שעוברים דרך גבישים אטומיים, ואפילו בגלים הנוצרים מעיבוי בוז-איינשטיין (BEC), מצב אולטרה-קר של החומר שגורם למספר חלקיקים להיות באותו מצב יסוד. אטומים בעיבוי בוז-איינשטיין יכולים להצטופף ביחד וליצור גל יחיד גדול שעובר דרך הגז. בנוסף, גלים אטומיים בעיבוי בוז-איינשטיין יכולים להתפצל ולבצע התאבכות בונה זה עם זה, או התאבכות הורסת. בבוז-איינשטיין עם אינטראקציות חלשות בין האטומים, נוצרים "סוליטונים-אפלים", גלים ארוכי-טווח שמיצגים את החסרים של האטומים שמתפזרים בתוך הגז, וסוליטונים "מאירים" (כאלה שבאמת נושאים חומר).

באמצעות שיטה תיאורטית חדשה בעבודתם של החוקרים, הם חוזים סוליטון מסוג שלישי, אף יותר אקזוטי ו”אל-מותי”, שעוד לא נצפה מעולם במערכת פיזיקאלית. הסוליטון החדש יכול להתרחש בעיבוי בוז-איישנטיין שנוצר ע"י "בוזונים קשיחים"- אטומים שדוחים זה את זה בחזקה ולכן משפיעים זה על זה באופן חזק- הם מאורגנים במבנה דמוי קרטון ביצים שמכונה גם "סריג אופטי".

ב-1990, אחת ממחברי המחקר, רדהה בלאקרישנאן מהמכון למדע מתמטי בהודו, כתבה תיאור מתמטי של הסוליטונים החדשים הללו, בהקשר של התנהגות עיבוי בוז-איינשטיין בגז אטומים בעל אינטראקציות חזקות. באמצעות תצפיות על עיבוי בוז-איינשטיין, המדענים הבינו לאחרונה שמשוואותיה של בלאקרישנאן מציגות תיאור כמעט מושלם של עיבוי ב"א באטומים בעלי אינטראקציה חזקה, ובנוסף הם גילו שסוג הסוליטונים המיוחד הזה באמת קיים. בעוד שכל הסוליטונים המוכרים עד היום גוועים כאשר מהירותם מתקרבת למהירות הקול, סוליטון זה שורד, ושומר על האמפליטודה שלו גם במהירויות הקול.

אם מדענים יגלו דרך ליצור סוליטון "אל-מותי" כזה, הדבר יכול לספק חלון הזדמנויות חדש לחקירת התנהגותן של מערכות קוונטיות בעלות התנהגות אינטראקציות חזקה, שבין היתר מערכות אלו יכולות להיות על-מוליכים בטמפרטורה גבוהה ומגנטים. כאשר אטומים מתקררים למצב של בוז-איינשטיין הם מיצגים שלב מעבר (כמו שלב מעבר פאזה בין קרח למים), הסוליטונים החדשים יכולים גם לשרת ככלי חשוב להבנה טובה יותר של מעברי פאזה, ובין היתר גם כאלו שלקחו חלק ביקום הקדום, בזמן ההתרחבות וההתקררות.

להודעה של החוקרים


שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

25 תגובות

  1. יעל
    בהחלט מקובל עלי. ושלא תביני אותי לא נכון, אני לא מנסה להתפלפל פשוט אין לי ידע בנושא ואני מנסה לשאול שאלות ברמה שאני יכול להבין את התשובות.

    בכל מקרה אני חייב לציין לשבח את ההסברים שלך כמו של פרקליטו וכמו של אהוד, אני לא אתיימר להגיד שהבנתי אבל אין ספק שאתם יודעים להסביר היטב את מה שאתם מבינים ואכן החכמתי קצת מההסברים שלכם. כל הכבוד לכם.

  2. רוח רפאים,

    שאלותיך חשובות, אך אני מעדיפה לא להכנס ולהתפלפל על נושאים בהם אינני בקיאה, כדי לא להטעות.

  3. יעל
    במוליכים למחצה אלקטרונים יכולים להיות או ב"פס הערכיות" או ב"פס ההולכה" כאשר ביניהם יש "פער אנרגיה. פס הערכיות הוא תחום האנרגיות הנמוך יותר כך שבטמפ' אפס כל האלקטרונים יהיו באנרגיה נמוכה, ז"א בפס הערכיות, והמל"מ למעשה מבודד. כאשר הטמפ' עולה לאלקטרונים יש אנרגיה, ולכן יש להם סיכוי לקפוץ מעל פער האנרגיה לפס ההולכה, כאשר את ה"מקום הפנוי" של האלקטרון מכנים "חור", והוא מתנהג בצורה דומה רק עם מטען שלילי. בשלב זה המל"מ מתחיל להוליך כאשר האלקטרון והחור מוליכים זרם. הרעיון הוא שצריך כמות מסוימת של אלקטרונים שיעוררו לפס ההולכה (וייצרו תמדי אלקטרון-חור) כדי שההולכה תהיה משמעותית.

    רוח:
    אני לא מכיר את הביטוי "חלקיק-חור", וים פרמי למיטב ידיעתי (החלשה קצת בנושא) נועד להסביר את "אלקטרון-פוזיטרון" אבל מהביטוי חוסר איזון (imbalance) נשמע שיש יותר מאחד משני המצבים, בניגוד לסוליטונים האחרים בעיבוי בוז איינשטיין.

  4. יעני חור-חלקיק זה כמו אלקטרון-פוזיטרון? והסוליטון החדש התכונות של החור-חלקיק שלו שונים משאר הסוליטונים? (סליחה אם זה נשמע קצת טיפשי התיאור)

  5. רוח רפאים
    מהפסקה הראשונה בכתבה עולה שהרעיון הוא חדש וכרגע תיאורטי בלבד, בדר"כ לוקח קצת זמן עד שהם או מישהו אחר יחליטו לנסות להדגים אותו בפועל.

    אגב, בעיני אחד מסוגי הסוליטונים (שמופיעים במגוון סוגי גלים שונים) היפים יותר, הוא ענן שמפגין תכונות סוליטוניות, ואפשר למצוא תמונות מדהימות שלו בחיפוש של: morning glory cloud

  6. ליעל

    תודה על הפרטים מהמאמר עצמו, הוא אכן יוצר רושם כמענין מאד.

    לרוח רפאים

    לא היית צריך להבין את דברי כפשוטם הסוליטון הוא גל הנע ללא שינוי צורה במובן זה הוא רק דומה
    לחלקיק קלסי שגם נע ללא שינוי צורה זאת לעומת גל (לדוגמא בתדר/אורך גל נתון) המבצע עליות וירידות תוך כדי תנועתו. למרות שמדובר על גלים אלא אינם גלים אלקטרו-מגנטיים לכן לא נכון לדבר על קרינה
    מדובר בגלי חומר. באנלוגיה ניתן לחשוב על גל מים המורכב מטיפות, כאשר אנו מתבוננים בגל איננו שמים לב כי הוא מורכב מטיפות. כאשר מדברים על חורים ואטומים הסיפור הוא יותר מורכב. חור הינו חוסר של חלקיק במה שמכונה ים פרמי והינו תופעה שאני מתקשה להסביר אותה בפשטות. אביא דוגמא שאני מקווה כי לא תבלבל כאשר מעוררים מוליך למחצה אלקטרון מפס הערכיות המלא עולים לפס ההולכה ונוצרים זוגות של אלקטרונים חורים (שהחורים הם החוסר באלקטרונים הדרושים להשלים את הפס המלא).
    כאשר יעל מדברת על יחסים לא מאוזנים בין חלקיקים לחורים זהו מצב לא רגיל כי בדרך כלל עבור כל
    חלקיק מעורר ישנו החור שהוא השאיר מאחוריו.

    אנסה להסביר על ידי אנלוגיה שאין לקחת אותה כפשוטה. כך את הגל המורכב מטיפות הנח כי אתה יכול להוציא טיפה ממרכז הגל (מבלי שהריק שהשאירה מאחור אינו מתמלא) שים את הטיפה על פני הגל הטיפה (אנלוג לחלקיק) והחור שהיא השאירה מאחור הם אנלוגים לחלקיקים וחורים.

    אני מקווה שלא הוספתי לבלבול יש דברים שקל יותר להסבירם באמצעות ציור.

  7. אבי בליזובסקי

    האם יש אפשרות שבאתר הזה יהיה תרגום למילים מסוימות ברגע שמעבירים את העכבר מעל המילה (כמו שקיים בכל מיני אתרים אחרים)?

    ליעל

    א: מה שהבנתי מדבריך (וגם מדבריו של אהוד) זה שהסוליטון החדש שחזו קיים רק "על הנייר", כן?
    ב: הסוליטון "מתנהג" כמו אטום (יענו גם קרינה וגם חומר) ובאומרך "יחסים בין חלקיקים לחורים" כוונתך יחסים בין חומר לקרינה שלו עצמו? הבנתי נכון?

  8. טוב אז ככה, לפי המאמר ב"פיזיקל רביו", הם מצאו דרך לתאר את משוואת התנועה של הסוליטון האל-מותי. המאמר הוא יותר מתמטי מאשר פרקטי- הרי לא יצרו במעבדה את הסוליטון, אלא הראו באופן תיאורטי איך מתאפשר סוליטון בעל המאפיינים הללו.

    המפתח ביצירת הסוליטון הוא לדאוג ליחסים של חוסר איזון בין החלקיקים לחורי- החלקיקים.

    תנאי ההתחלה הם ששני בוזונים לא יוכלו לאכלס את אותו מקום במרחב, (ובעזרת שימוש באופרטורי שדה שהם אנטי-קומטיטיבים עבור אותו מקום, וקומטיטיבים עבור מקומות שונים, זה הופך את המשוואה לדומה למערכת חלקיקים בעלי ספין חצי- זה תורם מבחינה אלגברית).

    במשוואת התנועה הזו יש שני סוגי צפיפויות: צפיפות העיבוי וצפיפות החלקיקים. ובניגוד למה שקורה בסוליטונים רגילים, במקרה הזה שתי הצפיפויות לא זהות.

    ולבסוף, יחסים לא מאוזנים בין החלקיקים לחורים זה מה שיוצר את אי-התלות של המשוואה במהירות. לפיכך, השינויים במהירות אינם הורסים את הסוליטון, אלא רק משנים את המאפיינים שלו (האמפליטודה למשל).

  9. רוח רפאים
    כאמור הסוליטונים הם חבילות גלים שמצליחות לשמור על צורתן ולא עוברות דיספרסיה (למיטב ידיעתי כתוצאה מתווך לא ליניארי), אחד המאפיינים המעניינים ביותר שלהם, היא שקיימות להם תכונות שמיוחסות בדר"כ לחלקיקים ולא לגלים, כמו צורת הפיזור וההחזרה (כתוצאה מהתנגשות) שלהם.

    מאמר, שמסיבות טכניות קריא חלקית בלבד, אבל נותן הסברים מובנים תוכל למצוא פה:
    http://physicaplus.org.il/zope/home/he/3/Segev

  10. חיים

    תודה עלהמחמאה אני בטוח שישנם עוד אנשים רבים המבינים במה מדובר ברמות שונות. אני משתדל מידי פעם אם יש לי ידע בנושא מסוים לחלוק אותו.

  11. רוח רפאים

    קשה לי לקבוע מתוך הכתבה אם אתה טועה בכל אופן גז אולטרא קר במצב עיבוי בוזה אינשטיין
    קיים כבר מאז 1995ומאז הושג בשרות מעבדות גז מעובה נמצא כרגע בלפחות שלוש אוניברסיטאות בארץ. כך שלטעמי אין חדש בגז בו השתמשו המדענים אלא אם כן הם הצליחו לעבות חלקיקי גז של יסוד שונה שטרם הצליחו לעבות אותו (לא נראה לי כי בזאת מדובר).

    לגבי משוואת הגלים אני מניח כי אתה צודק הם מצאו פיתרון חדש וכנראה הצליחו לייצר אותו בניסוי.

    סוליטון הוא לא כמו קרן לייזר אלא יותר כמו קליע או חלקיק. קרן לייזר מורכבת בעקרון מקרינה בתדר נתון
    (לשם הפשטה נכנה זאת צבע נתון) סוליטון הוא חבילת גלים (אוסף של צבעים שונים) לכל צבע תדירות התנודה שלו ולמרות זאת חבילת הגלים נעה ביחד. יש הבדל בין סוליטונים במערכות פיסיקליות וסוליטונים מתמטיים האחרונים יכולים לנוע אחד דרך השני בלי להתפזר.

  12. אהוד, אני עוקב אחרי תגובות. אתה בין הבודדים שמבין במה המדובר.
    כל השאר קשקשנים.

  13. אהוד
    תקן אותי אם אני טועה, זה מה שהבנתי : שהמדענים השתמשו בגז אולטרה-קר (שמקודם לא השתמשו בו) והצליחו בעזרת משוואת גלים (בזכות אותו הגז) לחזות סוליטון חדש? (סליחה על הניסוחים ה"גסים" פשוט אין לי ידע בזה).
    והאם הסוליטון הוא (להגיד באופן גס) כמו קרן לייזר מאוד חזק שלא נשבר גם לטווחים ארוכים מאוד?

  14. אכן חבל. אם יהיה לי זמן אנסה להתעמק במאמר המקורי שפורסם ב"פיזיקל רביו לטרס" וללקט פריטי מידע מעניינים בנוגע לסוליטונים החדשים.

  15. יעל

    חבל שבכתבה (גם בזו המקורית) לא מפורט יותר על מהות הסוג החדש של הסוליטון. סוליטונים בעיבוי בוזה אינשטיין נחזו ונצפו מזה שנים רבות. בארץ ישנם מספר מומחים בינלאומיים לנושא: פרופ' בוריס מלמד מאוניברסיטת ת"א ופרופ' עמי ורדי מאוניברסיטת בן גוריון שניהם תיאורטיקנים. באוניברסיטת בר-אילן ישנו ניסיונאי בשם ד"ר לב חייקוביץ שעשה עבודה מפורסמת בפוסטדוק שלו בצרפת על סוליטונים בעיבוי בוזה אינשטיין.

    אגב העובדה שעיבוי בוזה אינשטיין מקיים את משוואת שרדינגר האי-ליארית או בשמה האחר גרוס פיטאבסקי מאפשר לבצע ניסויים באופטיקה על גלי חומר!

  16. הוספתי עוד כמה מילים בכתבה על עיבוי בוזה-איינשטיין, תודה עמי בכר.

    רוח רפאים,
    בויקיפדיה רשום שסוליטונים הם גלים (בעלי תיאור לא לינארי), בהם הנפיצה של הגל מתאזנת (או יותר נכון מתקזזת) עם האלמנטים הלא לינאריים שלו.

  17. רוח רפאים

    לא אין קשר בין השניים. ראשית יש צורך בטמפרטורה נמוכה מספיק כדי שכל החלקיקים של הגז יהיו במצב קוונטי אחד וניתן יהיה בכלל לתאר אותם על ידי משוואת שרדינגר. הענין הוא שמשוואת שרדינגר המתאימה לחלקיקים במצב עיבוי (של בוזה-אינשטיין) הינה משוואת שרדינגר לא לינארית. למשוואות גלים לא לינאריות יש לרוב פתרונות סוליטוניים. הסוליטון הוא מעין חבילת גלים כאשר יחס הדיספרסיה שואף "למרוח" אותם כפי שאנו רגילים לראות והאי לינאריות רוצה לכווץ אותם כאשר שני "הכוחות" הללו המנוגדים מאזנים אחד את השני נוצר סוליטון. סוליטון הוא גל הנע ללא שינוי צורה.

    בקצרה הטמפרטורה הנמוכה מאפשרת תיאור באמצעות משוואת גלים (לא לינארית) משוואת הגלים מאפשרת פתרונות סולוטונייםשל גל מתקדם ללא שינוי צורה.

  18. הפעם התעליתם על עצמכם. גם ה LINK שנתן איציק הוא מאמר מעולה. גם המאמר על חור שחור קטן הוא טוב.

  19. מישהו יכול להסביר לי אם הבנתי נכון שככל שהטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט הגל שומר על יציבות וכך הוא יכול "להתארך"?

  20. עיבוי בוזה איינשטין מתרחש כאשר חלקיקים נדחקים לרמת האנרגיה היסודית בטמפרטורות נמוכות. ( זה חיב להיות בוזונים ולא פרמיונים כי יש את חוק האיסור של פאולי שמונע ממספר רב של פרמיונים להמצא ברמת היסוד באותו זמן)

  21. הכתבה משתמשת הרבה במושג עיבוי בוז-איינשטיין ולא נותנת אפילו רמז למה פרוש מושג זה. על הקורא לחפש במקורות חיצוניים ולא טוב שכך. כמובן שלא ניתן להסביר כל מילה או משפט ולרדת לפרטי הפיזיקה, אבל לכל הפחות מושג יסוד שחוזר על עצמו לא מעט פעמים והרבה מההסבר מתיחס אליו ומשתמש בו – ראוי להתיחסות ולו במשפט אחד שייתן רקע כללי לקורא הבלתי מלומד.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן