חומר פשוט מוזר – הכנת מוצק-על ע”י אטומי גז קרים ביותר

פיסיקאים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) בשיתוף עם אוניברסיטת מרילנד הציעו שיטה להפקת חומר שהוא “מוצק-על”, מצב מרתק של חומר המתנהג בו-זמנית הן כמוצק והן כנוזל-על חסר כל חיכוך.

פיסיקאים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) בשיתוף עם אוניברסיטת מרילנד הציעו שיטה להפיכתם של אטומי “בוזונים” (“boson”) קרים ביותר – המרכיבים של תַּעְבִּית [תוצאת-העיבוי] בוז-אינשטיין (Bose-Einstein) – לחומר שהוא “מוצק-על”, מצב מרתק של חומר המתנהג בו-זמנית הן כמוצק והן כנוזל-על חסר כל חיכוך.

בעוד שמדענים מצאו הוכחות לקיומם של מוצקי-על בתערובות נוזליות מורכבות של הליום, יהיה יותר קל להבין את קיומו של מוצק-על שכזה אם הוא נוצר מיחסי-גומלין חלשים של אטומי גז ולקבל ממנו רמזים ראשוניים להכנת חומרים חדשים לחלוטין – “חומרים קוונטיים” שיוכלו להאיץ את הבנתם של הפיסיקאים לגביי התנהגותם חומרים שונים במצבים קיצוניים.

מוצק-על, שקיומו נהגה בתיאוריה עוד בשנת 1970, מציג את המאפיינים ההכרחיים של מוצק בו האטומים מאורגנים בתבנית סדורה ומחזורית כמו בסריג גבישי, ושל נוזל-על, בו החלקיקים נעים ללא חיכוך ומבלי לאבד כל אנרגיה בתנועתם זו. מוצק-על, המתקיים רק בטמפרטורות נמוכות ביותר, מתנהג באופן שונה מאוד מעצמים אחרים הקיימים בחיי היום-יום.

“אם אתה מוסיף עוד בגדים למכונת כביסה, אתה מגביר את המסה על קצותיה, ועל המכונה להפעיל כוח רב יותר כדי להפוך את כיוון סיבובה,” מסביר הכותב הראשי של המחקר Ludwig Mathey. “אולם, במכונת כביסה המורכבת ממוצק-על, חלק מהבגדים, באופן מסתורי, ירחף באוויר ויישאר נייח בעוד המכונה מסתובבת וכך יקל עליה לשנות את כיוון סיבובה. יתרה מכך, בגדים מרחפים אלו שהינם חסרי-חיכוך, יתארגנו באוויר באופן סדור ומחזורי, בדומה להתארגנותם של אטומים בגביש.”

בשנת 2004, החוקרים Moses Chan ו- Eun-Seong Kim מאוניברסיטת פנסילבניה פרסמו את ממצאיו פורצי-הדרך של ניסוי בהליום בטמפרטורות נמוכות ואספו עדויות לקיומו של מצב מוצק-על. אולם, פרשנות ממצאיהם הייתה בעלת חוסר-ודאות משמעותי בעקבות טיבה המורכב של המערכת המסוימת שאיתה הם עבדו לשם ביצוע ניסוייהם.

כעת, צוות של שלושה פיסיקאים גילו שיטה להכנה מובנת יותר של מוצק-על, באמצעות השימוש בשני סוגים של אטומים קרים ביותר המתוחמים בסריג אופטי, מעין “רשת אופטית” הלוכדת וממקמת את האטומים השונים בנקודות קבועות ומחזוריות במרחב.

במאמר בכתב-העת Physical Review A מתאר צוות המחקר כיצד הוא גילה את התנאים המדויקים בהם “ענן” של אטומים קרים ביותר משני סוגים (כגון רובידיום ונתרן, או שתי צורות קרובות של רובידיום) יכול להתרכז באופן עצמאי למצב בו מתקבל מבנה גבישי של האטומים השונים, כלומר – שרשרת בה שני סוגי האטומים השונים מופיעים לחילופין באופן מחזורי, בעוד “הענן” כולו משמר את המאפיינים חסרי-החיכוך של נוזל-על המורכב מתַּעְבִּית בוז-אינשטיין (BEC).

קשה לדמיין בעיני רוחנו, במושגים יום-יומיים, גם את המצב הזה – התמונות המוצגות מתארות את התפיסה האומנותית של זה – אולם הצוות זיהה חתימות ניסיוניות מובהקות וברורות (בעיקרן צילומים של הענן), שתוכלנה לאשש את הקיום הבו-זמני של שתי התכונות הבלתי-מתאימות הללו.

מוצק-על הינו דוגמא לכיוון נוסף של מחקר בפיסיקה אטומית קרה ביותר – התכנון וההכנה של חומרים “קוונטיים” בעלי תכונות בסיסיות שלא נראו בעבר בחומרים קיימים.

הידיעה המקורית של מכון המחקר