על-נוזל נשלט על שבב

לראשונה חוקרים מהאוניברסיטה העברית בראשות פרופ' רונן רפפורט, בשיתוף עם פרופ׳ מקסים חודאס ומשתפי פעולה מאוניברסיטת פרינסטון בארה״ב, מצאו עדויות לקיומו של נוזל קוונטי יציב מבוסס "אקסיטונים" (דמוי חלקיקים העשויים מאלקטרונים בגביש), ופיתחו מודל תיאורטי המסביר תופעה זו. התגלית משנה את הפרדיגמה הישנה שנוזלים אלקטרונים קרים מסוג כזה לא מחוללים על-נוזל יציב. בזכות אותם דמויי חלקיקים ניתן ליצור את הנוזל הקוונטי על גבי שבב ולחקור האם הוא מתנהג כ״על נוזל״,  ובכך לבנות בעתיד חיישנים עתירי שימוש במדידות רגישות ואף לסייע בגילויו החומר האפל

על נוזל. המחשה: shutterstock
על נוזל. המחשה: shutterstock

לראשונה חוקרים מהאוניברסיטה העברית בראשות פרופ' רונן רפפורט, בשיתוף עם פרופ׳ מקסים חודאס ושותפים מאוניברסיטת פרינסטון בארה״ב, מצאו עדויות לקיומו של נוזל קוונטי יציב מבוסס "אקסיטונים" (דמוי חלקיקים העשויים מאלקטרונים בגביש), ופיתחו מודל תיאורטי המסביר תופעה זו. התגלית משנה את הפרדיגמה הישנה שנוזלים אלקטרונים קרים מסוג כזה לא מחוללים על-נוזל יציב. בזכות אותם דמויי חלקיקים ניתן ליצור את הנוזל הקוונטי על גבי שבב ולחקור האם הוא מתנהג כ״על נוזל״,  ובכך לבנות בעתיד חיישנים עתירי שימוש במדידות רגישות ואף לסייע בגילויו החומר האפל.

חיכוך היא תופעה כמעט בלתי נמנעת בטבע. תנועת משטחים, נוזלים מתערבלים או זרם מטענים נוטים להאט ולאבד אנרגיה לחום כתוצאה מגיפוף וחיכוך החומר עם סביבתו. למרות ההיכרות העמוקה עם תופעות שכאלה, הטבע לימד את המדענים שתנאים קיצוניים עשויים לחולל תופעות שסותרות את האינטואיציה הבסיסית. בזכות תגליות של שהחלו עם איינשטיין, מכניקת הקוונטים מראה שבטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט חומרים מיוחדים מאבדים את תכונת החיכוך ומאפשרים לאנרגיה לזרום דרכם בלי לאבד לחום. כתוצאה הם מבטאים תכונות "על" ייחודיות המעלימות את ההתנגדות החשמלית או הצמיגות הנוזלית של החומר. התופעה הקוונטית שסקרנה חוקרים מזה עשורים מניבה מחקר עשיר בהבנת תופעות פיזיקליות רב גופיות ואפילו עשויה לפענח את טבעו של החומר האפל. אל מול המישור האקדמי המחקר המדעי עשוי להוביל לפריצות טכנולוגיות לטובת מדידות מדויקות וחיסכון אנרגטי עצום.

בכדי שמדענים ואנשי תעשייה יוכלו לחקור ולנצל את תכונות ה"על" של החומרים הם זקוקים ליכולת לבצע בהם מניפולציות ולהפוך אותם לידידותיים לשימוש. התקווה הטכנולוגית היא ליצור על נוזל הנמצא בתוך צ'יפ אלקטרוני כדי שיהיה ניתן לשלוט על זרימתו, להשתמש בו בהתקנים מיקרו-אלקטרוניים, ולנטר את תכונותיו תחת השפעות הסביבה. אחת האפשרויות ליצור צ'יפ שכזה הוא בעזרת דמויי חלקיקים בשם אקסיטונים המבטאים תכונות של נוזל קוונטי בטמפרטורות נמוכות. הבעיה במערכות כאלו היא שאקסיטונים הם לא חלקיקים יציבים ומתקיימים רק לשבריר זמן קצרצר של כמה מיליארדיות של שנייה. השימוש באקסיטונים לטובת ייצור זו נוזל קוונטי יציב לאורך זמן נחשב כאתגר מדעי וטכנולוגי מזה שנים. לפני כעשור פורסם רעיון תיאורטי פורץ דרך שטען שיתכן שקיים מצב של נוזל קוונטי מבוסס על אקסיטונים ״חשוכים״. אלו נקראים חשוכים משום שאינם מסוגלים לפלוט אור בעת היעלמותם מהחומר (אל מול אקסיטונים "מוארים" הפולטים אור). התכונה הקוונטית מאפשרת לאקסיטונים החשוכים להתקיים זמן ארוך בהרבה מאלו המסוגלים לפלוט אור. התקווה הזו הועמה מהר מאוד, כי מודלים תיאורטיים חדשים יותר חזו שהנוזל הקוונטי החשוך כה עדין ושברירי, עד שכמעט ואינו מתקיים במעבדה. השבריריות נובעת מהתנגשויות בין החלקיקים בנוזל הקוונטי שמשנות במהירות את האקסיטון מ-״חשוך״ ל-״מואר״.

הקהילה המדעית לא האמינה שאכן ניתן לחזות בנוזל קוונטי יציב במערכת שכזו. במחקר שפורסם לאחרונה  ע״י החוקרים מהאוניברסיטה העברית ושותפיהם מאוניברסיטת פרינסטון בעיתון המדעי Proceeding of the Natianal Academy of Science נצפו עדויות לקיום הנוזל הקוונטי מבוסס אקסיטונים ביציבות ובצפיפות הגדולה בכמה סדרי גודל מהתחזיות התיאורטיות. החוקרים הסבירו את קיומו של העל נוזל היציב בזכות אינטראקציות ארוכות טווח, להבדיל מהתיאוריה המקובלת שאקסיטונים משפיעים אחד על השני באינטראקציות קצרות טווח כלומר רק כאשר הם קרובים מאוד. החוקרים סיפקו גם הסבר תיאורטי לתופעה המפתיעה – ״התחזיות הישנות התבססו על תופעה עוצמתית של התנגשויות משנות ספין המשפיעות על ריכוז האקסיטונים החשוכים והמוארים״, מספר פרופ׳ רונן רפפורט,  ״אבל במערכת החדשה יצרנו דמויי-חלקיקים מיוחדים בעלי אינטראקציות ארוכות טווח, והראנו שאינטראקציות כאלו, שבהן החלקיקים מרגישים ודוחים זה את זה חשמלית ממרחקים גדולים, גורמים להקטנה משמעותית של ההתנגשויות משנות הספין, ועל ידי כך מייצבות באופן דרסטי את מצב החשוך״.

כעת לאחר שהראו שניתן ליצור נוזל קוונטי יציב על שבב השלב הבא הוא למדוד באופן ישיר את התכונות ה״על-נוזליות״ של המערכת ולנצל את המוביליות והלוקאליות של העל נוזל לשימושים תעשייתיים בהולכת מידע, בהולכה יעילה של אנרגיה, ובביצוע מדידות מדויקות לאיתור וגילוי תופעות חמקמקות בפיזיקה כמו לדוגמה החומר האפל. המעבדה של פרופ' רפפורט הצליחה להדגים בעבר על מספר התקנים יכולת שליטה מורכבת בזרימת נוזלים אקסיטונים בעזרת מניפולציות חשמליות, אופטיות, ואקוסטיות ובכך מקדמת בעוד צעד יצירת התקנים וחיישנים אלו.

הדוקטורנט יותם הרפז במעבדתו באוניברסיטה העברית (קרדיט: יותם הרפז)

יותם מזוז-הרפז, סטודנט לדוקטורט בקבוצת המחקר של פרופ׳ רונן רפפורט מוסיף: "זה מאוד מלהיב. במשך כמה שנים הצטברו אצלנו ואצל חוקרים נוספים מרחבי העולם תוצאות ניסוי שלא לגמרי ידענו איך לפרש ושלעיתים היה נראה שסותרות זו את זו. נראה שהמחקר הזה סופסוף מספק הסבר עקבי ומאוחד לכל התצפיות האלו. הוא גם שופך אור חדש על מה צפוי לנו בהמשך המסע להבנה שלמה של המערכות מהסוג הזה ולרתימה שלהן לשימושים בטכנולוגיות העתיד"

למאמר המלא

עוד בנושא באתר הידען:

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

תגובה אחת

  1. מעולה!

    שמח לשמוע על מחקרים פורצי דרך בתעשייה הישראלית, לא סתם נאמר שאנחנו אומת הסטארטאפ ומובילים בעולם.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן