נוזל קוונטי חשוך יוצא לאור

רונן רפפורט

הנוזל המוכר ביותר לכולנו הוא כמובן מים, המורכב מכמות אדירה של מולקולות של מימן וחמצן. המולקולות הללו נמצאות באינטראקציה מתמדת אחת עם השנייה דרך כוחות מולקולריים הנקראים כוחות דיפולריים. נוזלים כגון מים מתוארים בצורה טובה על-ידי תאוריה ניוטונית קלאסית. לעומת זאת, התאוריות הפיסיקליות חוזות שכאשר מקררים נוזל אטומי ומולקולרי לטמפרטורות מאוד נמוכות, קרוב לאפס המוחלט, הנוזל ישנה את תכונותיו, ויהפוך לנוזל קוונטי. נוזל כזה יהיה בעל תכונות אקזוטיות המוסברות על ידי תורת הקוונטים. למשל, הוא יכול לאבד לחלוטין את הצמיגות שלו ולזרום ללא חיכוך עם המיכל, תופעה שנקראת על-נוזליות.
           לצערנו מים לא יכולים להיות נוזל קוונטי כי הם קופאים והופכים למוצק בטמפרטורות גבוהות בהרבה, ולכן מדענים חוקרים גזים של אטומים ומולקולות אחרות, שאותם ניתן לקרר מספיק עד שתורת הקוונטים נעשית רלבנטית (דוגמאות לכך הן נוזל של אטומי הליום קרים, או גז של אטומי כרומיום או דיספרוזיום בשדה מגנטי). כל אלו הם אטומים טבעיים של יסודות בטבע. 
           לפני כחמישים שנה הציעו פיסיקאים תיאורטיים שניתן ליצר נוזלים קוונטים אלקטרוניים בתוך שכבות דקות של חומרים מוליכים למחצה, על ידי יצירת ״אטומים מלאכותיים״ מאלקטרונים חופשיים המעוררים בשכבות אלו בעזרת אור. אטומים מלאכותיים אלו  נקראים ״אקסיטונים״. אקסיטונים אלו מתנהגים במידה רבה כמו אטומיים טבעיים, אלא שבניגוד לאטומים, הם נוצרים מלאכותית בתוך התקנים אלקטרוניים ואלקטרו-אופטיים ולכן ניתן לשלב אותם בתוך טכנולוגיית המוליכים למחצה, שהיא הטכנולוגיה המובילה את המיקרו-אלקטרוניקה והמעגלים המשולבים המודרניים.
           הבדל נוסף בין אקסיטונים ואטומים אמיתיים הוא שאקסיטונים חיים רק לשבריר שנייה, ואז מתפרקים ופולטים אור. תכונה זאת מגבילה את האפשרות לייצר נוזל יציב של אקסיטונים, אך בסדרה של עבודות שהתפרסמו בשנים האחרונות על ידי חוקרים מהאוניברסיטה העברית (ובמקביל גם במכון וייצמן), הצטברו עדויות שנוזל אקסיטוני דיפולרי יציב וארוך זמן אכן יכול להיווצר בהתקנים אלקטרו-אופטיים שעשויים ממבנים מיוחדים של שכבות דקות של מוליכים למחצה, דרך כוחות דיפולריים הדומים במידה רבה לכוחות בנוזלים אטומים אמיתיים.
           במעבדתו של פרופ' רונן רפפורט, ממכון רקח בפקולטה למדעי הטבע  התפרסמה השנה עבודה בירחון המדעי Nanoletters ובה הראו המדענים עדויות לכך שהנוזל שנוצר נמצא כנראה במצב ״חשוך״, שבו האקסיטונים נמצאים במצב קוונטי שמונע מהם להתפרק על ידי פליטת אור. עקב כך הנוזל שנוצר צפוף מאוד ויתכן שהוא דומה בתכונותיו לנוזל קוונטי טבעי של הליום נוזלי קר, המוכר למדע ולטכנולוגיה כבר כמעט מאה שנים. ניסוי זה הוא תמיכה ניסויית ראשונה לתיאוריה מלפני כעשר שנים שחזתה קיומם של נוזלים אקסיטונים קוונטים חשוכים. 
           התוצאות החדשות הללו פותחות חלון להבנה טובה יותר של מערכות קוונטית מרובות חלקיקים, מערכות שהן מאתגרות מאוד להבנה תיאורטית בגלל מורכבותן, ומהוות את חזית הידע התיאורטי בתורת הקוונטים. הבנה של התכונות של נוזלים אקסיטוניים קרים תאפשר אולי בעתיד לשלב נוזלים אקזוטיים כאלו בתוך רכיבים אלקטרוניים ולהשתמש בתכונות הייחודיות שלהם.
למאמר המלא
לאתר הקבוצה