חוקרים גילו שכאשר מקררים הליום כמעט עד לטמפרטורת האפס המוחלט, דוחסים אותו וגורמים לו להתנודד סביב ציר – הוא מתנהג בצורה שמעולם לא נצפתה
קנת צ’אנג ניו יורק טיימס, הארץ
המכניקה הקוונטית עשתה זאת שוב. חוקרים באוניברסיטת המדינה של פנסילווניה בארה”ב ביצעו ניסוי עם הליום מקורר ביותר, וגילו שכאשר גליל מוצק מסתובב סביב צירו הלוך ושוב – חלק ממנו עשוי לא לזוז כלל.
בטמפרטורות נמוכות ביותר, חומר מתנהג לעתים קרובות באופן שונה מאוד מהמוכר לנו בתנאים רגילים. כך למשל, חומרים רבים הופכים לעל-מוליכים, המסוגלים להוליך חשמל ללא כל התנגדות, משום שהאלקטרונים מתחברים ונעים באופן מתואם בלי לפגוע בסריג האטומים המקיף אותם.
באופן דומה, חומרים אחרים בטמפרטורות נמוכות הופכים לעל-נוזל, הנע ללא כל חיכוך בשל העדר צמיגות שתאט את מהירותו. הניסוי החדש מציע מצב צבירה אחר: על-מוצק.
בשנות השבעים השתעשעו פיסיקאים ברעיון שמוצק – חומר שהאטומים שלו מאורגנים במבנה גבישי מסודר – עשוי לעבור המרה (שינוי מצב) קוונטית. חלקם טענו שכאשר מקררים מוצק לטמפרטורה נמוכה דיה, חלק מהאטומים שבו “יימסו” ויהפכו לעל-נוזל, שיזרום ללא כל מאמץ דרך החומר המוצק המקיף אותו. הם כינו את המצב הזה “על-מוצק”.
רוב הפיסיקאים, ובכללם אלו שהציעו את הרעיון, הגיעו למסקנה כי על אף שמצב זה הוא אפשרי, קטנים מאוד הסיכויים שאפשר יהיה לצפות בו.
“כתבתי לפחות מאמר אחד בעבר הרחוק על אפשרות קיומה של התנהגות כעל-מוצק”, אמר ד”ר אנתוני לגט, מרצה לפיסיקה באוניברסיטת אילינוי, שקיבל את פרס נובל לפיסיקה בשנה שעברה בשל מחקריו התיאורטיים בנושא העל-נוזל. “הייתי מהמר לפחות ביחס של מאה לאחד נגד אפשרות כזאת”.
אבל במאמר שפורסם החודש באתר האינטרנט של כתב העת המדעי “סיינס” דיווחו ד”ר מוזס צ’אן, מרצה לפיסיקה באוניברסיטת המדינה של פנסילווניה, וד”ר יונסונג קים, פוסט-דוקטורנט שעובד אתו, כי הצליחו להפוך הליום לעל-מוצק. “התיאורטיקנים יופתעו”, אמר ד”ר צ’אן, “אבל הם לא שוללים את האפשרות הזאת”.
הליום, אותו הגז שמאפשר לספינות אוויר להגביה עוף וגורם לבולעים אותו להישמע כמו דונלד דאק, הופך לנוזל בטמפרטורה של מינוס כ-269 מעלות צלסיוס. אם מקררים אותו קצת יותר ודוחסים אותו בלחץ עצום, אטומי ההליום נדחקים יחדיו והופכים למוצק.
בניסוי, הניחו ד”ר קים וד”ר צ’אן הליום בגליל קטן, קיררו אותו כמעט לאפס המוחלט (מינוס כ-273 מעלות צלסיוס) והפעילו עליו לחץ הנע מכ-26.5 ק”ג לס”מ רבוע ועד לכ-67.5 ק”ג לס”מ רבוע (הלחץ האטמוספירי הרגיל על פני כדור הארץ הוא ק”ג אחד לס”מ רבוע), עד שהפך למוצק.
המדענים סובבו ושיחררו את הגליל, שהיה מחובר למוט. כוח הפיתול של המוט גרם לגליל להתנודד (להסתובב הלוך ושוב סביב צירו) בתדירות קבועה, שנקבעה על ידי המאסה והממדים של הגליל.
כאשר המשיכו לקרר את הגליל עד לטמפרטורה של מינוס 272.9 מעלות – כעשירית המעלה מעל האפס המוחלט – תדירות התנודות גדלה, כאילו הטבעת מאבדת מהמאסה שלה, עד שנראה כאילו 1.5% מההליום נעלמו.
המדענים מפנסילווניה מאמינים כי 1.5% מההליום המוצק הפכו לעל-נוזל, ובהתאם לחוקי מכניקת הקוונטים עברו למצב האנרגטי ה”עצל” ביותר: חוסר תנועה. בעוד הגליל המוצק התנודד הלוך ושוב, העל-נוזל נותר במקומו באופן שנראה כאילו הוא זורם בכיוון ההפוך.
כדי לוודא שחלק מההליום באמת לא התנדף, המדענים חיממו בחזרה את הגליל והתנודות הואטו בחזרה. הם גם חזרו על הניסוי עם גרסה קלה יותר של הליום, הליום-3, הידוע ככזה שאינו הופך לעל-נוזל, ולא מצאו שום שינוי בתדירות התנודות.
עד כה, מדענים אחרים מסכימים כי ההסבר שלפיו מדובר ב”על-מוצק” הוא ההגיוני ביותר, אבל הם מבקשים לבחון נתונים נוספים. “אני חושב שכולם מסכימים שחייבים להתבצע ניסויים נוספים”, אמר ד”ר ויין סאסלו, מרצה לפיסיקה באוניברסיטת A&M בטקסס.
לשאלה כיצד יכול על-נוזל לזרום דרך מוצק אין תשובה מן המוכן. “אני חושב שזו חידה גדולה”, אמר ד”ר לגט. “אם זה יתברר סופית כנכון, זה יגרום לנו לבחון לחלוטין מחדש את התפישה שלנו לגבי מהו בדיוק מוצק על פי מכניקת הקוונטים”.
אחת האפשרויות, אמר ד”ר לגט, היא שמוצק ההליום אינו מושלם – שכמה מקומות בגביש שלו ריקים והעל-נוזל זורם מאתר ריק אחד למשנהו. כנגד ההסבר הזה עומד הממצא שלפיו לחצים גבוהים יותר, שלפי ההערכה אמורים לדחוף אטומים למלא את אותם מקומות ריקים, לא גרעו מתופעת העל-מוצק.
