הינך נמצא כאן

כמעט מושלם

האם קיימים בתופעת הול הקוונטית חלקיקים לא-אבליים אשר יכולים לשמש ליצירת ביטים קוונטיים?
18.06.2018

מימין: פרופ' מוטי הייבלום, פרופ' עדי שטרן, פרופ' יובל אורג, ד"ר מיטל בנרג'י וד"ר ולדימיר אומנסקי במרכז התת-מיקרוני במכון ויצמן למדע

כבר כשלושה עשורים מוקסם עולם הפיסיקה של החומר המעובה נוכח עושר התופעות הקשורות במצבים טופולוגיים של החומר. הדוגמה העשירה ביותר בתחום זה היא תופעת הול (Hall) הקוונטית. תופעה זו מתחוללת במערכות אלקטרוניות שבהן אלקטרונים מוגבלים לזרימה בשני ממדים בלבד. כשהמערכת נתונה להשפעת שדה מגנטי שהוא מאונך למישור התנועה של האלקטרונים, מופיע מתח במישור, במאונך לכיוון הזרם. המתח הזה קרוי מתח הול, והיחס בינו לבין הזרם נקרא התנגדות הול אשר  התגלתה כבר במאה ה-19.

ההיבט הקוונטי של התופעה התגלה לפני כשלושה עשורים. ראשית, התגלה שהתנגדות הול מקבלת סדרה של ערכים "מקוונטטים", אשר חוזרים על עצמם, בחומרים שונים, בדוגמאות שונות ובתנאים שונים. ערכים אלה חוזרים על עצמם עד לדיוק של אחד למיליארד. אבל, כפי שהובן במשך שנים של מחקר, הן תיאורטי והן ניסויי, התופעה כוללת הפתעות רבות נוספות, ובראשן המטען השבור והסטטיסטיקה השבורה. למרות שהמערכת היא מערכת אלקטרונית, עשויה מחלקיקים (אלקטרונים) אשר נושאים מטען זהה, היא מסוגלת להתנהג כאילו יש בה חלקיקים שמטענם החשמלי הוא שבר ממטען האלקטרון. חלקיקים אלו, המכונים "חלקיקים מדומים" (quasi particles), יכולים להתקיים רק בתוך המערכת. אולם, גם שם גורר קיומם השלכות רבות. אחת מהן היא המטען השבור, ושֵם זה מסביר גם את טיבו.

המערך הניסויי לבחינת המוליכות התרמית של אלקטרונים המשתתפים באפקט הול הקוונטי

בטבע ידועים שני סוגים של חלקיקים, שההבדל ביניהם מתבטא, בין היתר, בתכונות הסטטיסטיות שלהם: פרמיונים (על-שם הפיסיקאי אנריקו פרמי), ובוזונים (על-שם הפיסיקאי סאטינדרה נאת בוז). האלקטרון הוא פרמיון, כלומר חלקיק חומר. הפוטון הוא בוזון, כלומר חלקיק נושא כוח. למרבה ההפתעה, החלקיקים המדומים שבמערכות הול הקוונטיות שוברים את החלוקה הדיכוטומית הזאת, ויוצרים סוגים רבים של התנהגויות אחרות. האקזוטית שבין התנהגויות אלה היא הסטטיסטיקה ה"לא-אבלית". יש מספר תחזיות תיאורטיות לגבי קיומם של חלקיקים לא-אבליים בתופעת הול הקוונטית. אם קיימים חלקיקים כאלו, הם יכולים לשמש ליצירת ביטים קוונטיים (קיו-ביטס) – יחידות הבסיס לפעולתו של מחשב קוונטי. הקוהרנטיות של החלקיקים האלה צפויה להיות מְרַבִּית, מפני שהאינטראקציה שלהם עם הסביבה חלשה מאוד. עובדה זו מקשה על המדענים אשר מנסים להוכיח במסגרת ניסויים את קיומם של חלקיקים כאלה.

חישובים תיאורטיים קודמים בוצעו במסגרת הנחת עבודה של "מערכת אידיאלית נקייה". אלא שבפועל, שום מערכת אינה נקייה לחלוטין. כפי שאיש אינו מושלם, כך גם אין חומרים מושלמים"

קבוצת פיסיקאים מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, ובהם החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר מיטלי בנרג'י, פרופ' מוטי הייבלום, פרופ' יובל אורג, פרופ' עדי שטרן, מדען הסגל ד"ר ולדימיר אומנסקי, ואיתם פרופ' דמיטרי (דימה) פלדמן מאוניברסיטת בראון בארצות הברית, הצליחה באחרונה להראות בניסוי, שאחד ממצבי תופעת הול הקוונטית הוא אכן לא-אבלי. המערכות שבהן צפויים חלקיקים לא-אבליים להופיע הן מערכות שקשה מאוד ליצור אותן. כדי לעשות זאת יש צורך בחומרים מוליכים-למחצה נקיים במיוחד, בטמפרטורות נמוכות במיוחד, ובטכניקות ניסיוניות מורכבות במיוחד. ד"ר ולדימיר אומנסקי מקבוצת המחקר של פרופ' הייבלום, הוא "אלוף העולם" בייצור גבישים נקיים (או טהורים) מאוד של המוליך למחצה גאליום ארסני. במרכז התת-מיקרוני במכון ויצמן יכולים המדענים לקרר חומרים לטמפרטורות של 10-20 אלפיות מעלה מעל לאפס המוחלט. ד"ר מיטלי בנרג'י ופרופ' מוטי הייבלום פיתחו לצורך הניסוי מערכת מיוחדת שמודדת את המוליכות התֶרמית של האלקטרונים המשתתפים בתופעה (זרימת זרם חום עקב הפרשי טמפרטורה), שכן מוליכוּת זו נושאת את הסימנים להיותו של המצב לא-אבלי. פרופ' הייבלום אומר, שהמוליכוּת הזאת "מקווּנטטת", כלומר מתבצעת על בסיס יחידות קבועות, ולא ברצף משתנה, כאשר חלקיקים אבליים נושאים יחידות שלמות, ואילו החלקיקים הלא-אבליים נושאים יחידות שבורות.

פרופ' דמיטרי (דימה) פלדמן מאוניברסיטת בראון

הניסוי אכן הראה מוליכוּת תֶרמית שבורה; כלומר, המצב הנחקר הוא מצב לא-אבלי, כפי שחזתה התיאוריה. עם זאת, להפתעת החוקרים, התברר שהחלקיקים הלא-אבליים היו מסוג שונה מהצפוי. התיאורטיקאים פרופ' דוד מרוס, פרופ' יובל אורג, פרופ' עדי שטרן, ותלמיד המחקר גלעד מרגלית מציעים הסבר לתוצאה מפתיעה זו. חישובים תיאורטיים קודמים בוצעו במסגרת הנחת עבודה כי קיימת "מערכת אידיאלית נקייה". אלא שבפועל, שום מערכת אינה נקייה לחלוטין. הביטוי "מערכת נקייה" משקף את מידת הטוהר של גביש החומר המוליך-למחצה שממנו בנויה המערכת של תופעת הול הקוונטית השברית. אלא שתמיד קיימים זיהומים בגבישים, ויש שונוּת ברמת הטוהר באזורים שונים בהם, כך שבפועל, הגבישים אינם "אידיאליים". במילים אחרות, כפי שאיש אינו מושלם, כך גם אין חומרים מושלמים. לפיכך, התיאורטיקאים הכניסו לחישוביהם טוהר לא-אידיאלי של גבישי המערכת, ואז קיבלו תחזית שהתאימה לתוצאה שהתקבלה במעבדה. יותר מכך, הם גילו שעל אף שבדרך כלל ניקיון הגביש הוא תנאי הכרחי למימוש מצב לא-אבלי, יכולות להיות גם נסיבות שבהן דווקא טוהר לא מושלם הוא שיגרום להיווצרות מצב כזה.

קבוע היחידה של חום הזורמת במערכת תופעת הול הקוונטית, שווה ל-0.000000000001 ואט, חלקי 1 קלווין בריבוע.

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם