הידען - Hayadan

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

יעל פטר ·

Summary: 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 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…

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

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