זרמים של אנרגיה

הגבול בין דמיון למדע נחצה רק כאשר רעיונות נבחנים ומוכחים בניסויים, מועלים עקב כך בדרגה, והופכים לתפיסה המדעית המקובלת בתחומיהם. כך, בסיועם של מדעני מכון ויצמן למדע, חצו את הגבול הזה, בעבר, "חלקיקים מדומים". עכשיו הצליחו פרופ' מוטי הייבלום ושותפיו למחקר מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון, לראשונה בעולם, להוכיח את קיומם של זרמי אנרגיה הנישאים על-ידי חלקיקים חסרי מטען חשמלי. הוכחה זו מהווה צעד משמעותי במסע הארוך לפיתוחם של מחשבים קוונטיים.

 

 

הכל התחיל בשנת 1982, כאשר הפיסיקאי האמריקאי רוברט לפלין הציע הסבר לתופעה מסוימת (תופעת הול הקוונטית השברית). הוא הציע, שבתנאי המדידה נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים של אלקטרונים המתפקדים כ"חלקיקים מדומים", שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד: שליש ממטען האלקטרון, חמישית ממנו, שביעית ממנו, ואף חלקים קטנים יותר (השם "חלקיקים מדומים" לא צריך להטעות. מכל בחינה מעשית, החלקיקים הללו מתנהגים כחלקיקים אמיתיים לחלוטין). ההוכחה הראשונה לנכונות התיאוריה של לפלין סופקה על-ידי חברי קבוצת המחקר של פרופ' מוטי הייבלום מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע.  הוכחה זו מילאה תפקיד חשוב בהחלטה להעניק לרוברט לפלין, להורסט סטורמר ולדניאל טסואי פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998 (על גילוי ומציאת ההסבר לתופעת הול הקוונטית השברית).

 

 

השלב הבא בפלישתם של חלקיקים מדומים לתפיסת העולם שלנו התחולל כאשר ניסויים שבהם נבחנה תופעת הול הקוונטית השברית בתנאים טהורים יותר הצביעו על אפשרות קיומם של חלקיקים מדומים מסוג שונה לחלוטין: כאלה שהמטען החשמלי שלהם יהיה שווה לרבע ממטען האלקטרון (כלומר, המטען השברי הוא, במקרה זה, בעל מכנה זוגי - שלא כמו בחלקיקים המדומים שהציע לפלין, שהמכנה של המטען השברי שלהם הוא אי-זוגי). פרופ' הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו הוכיחו גם את קיומם של החלקיקים המדומים האלה, והצליחו למדוד את מטענם החשמלי, השווה לרבע ממטען האלקטרון.

 

 

באופן כללי, במערכת שבה מתחוללת תופעת הול קוונטית ממקמים אלקטרונים במערכת דו-ממדית (משטח), הנתונה להשפעה של שדה מגנטי חזק. כאשר מזרימים אלקטרונים במערכת זו, כל אלקטרון בודד "שואף" להמשיך ולנוע ישר - אבל השדה המגנטי הפועל על המערכת מטה את מסלולו. כאשר הטיית השדה המגנטי מתאזנת אל מול כוחות הדחייה של האלקטרונים הדוחים זה את זה (בשל העובדה שלכולם מטען חשמלי שלילי), האלקטרונים ה"חדשים" המצטרפים למערכת ימשיכו לנוע בה בקו ישר, על-אף "ניסיונותיו" של השדה המגנטי להטות את מסלולם.

בעוד שהחלקיקים המדומים נעים בכיוון אחד, יש מקרים שבהם התיאוריה שהציעו מספר מדענים כללה תחזית כי חלקיקים מדומים אחרים, שאינם נושאים מטען חשמלי, אלא רק אנרגיה, ינועו בכיוון הפוך. תחזית זו עלתה כבר בשנות ה-90 של המאה הקודמת, אך עקב הקושי למדוד חלקיקים נייטרליים כאלה, קיומם לא הוכח עד למחקר העכשווי שביצעו חברי קבוצת המחקר של פרופ' הייבלום.

 

 

כדי למדוד ולהוכיח את קיומם של החלקיקים המדומים הנייטרליים, נושאי האנרגיה, בנו המדענים מערכת ניסוי ייחודית שבה הניחו מחסום קוונטי עביר-למחצה על דרכם של החלקיקים האלה. החלקיקים הנייטרליים שהתנגשו במחסום התנפצו וקיבלו מטענים חשמליים חיוביים ושליליים (בהתפלגות אקראית). כך נוצר זרם לא אחיד. התנועה הלא סדירה יצרה רעש חשמלי (ללא זרם ממוצע חשמלי). רעש חשמלי זה נמדד באמצעות מכשירי מדידה רגישים במיוחד. כך הצליחו המדענים להוכיח את קיומם של החלקיקים המדומים הנייטרליים, נושאי האנרגיה.

גילוי החלקיקים הייחודיים האלה סיפק מידע חדש על המצב הקוונטי של המערכת, ולמעשה פתח שדה מחקר חדש שמתמקד בזרימתם של זרמי אנרגיה. למשל, קיומם של זרמי אנרגיה במערכת שבה מתחוללת תופעת הול הקוונטית השברית, שבה נוצרים חלקיקים מדומים בעלי מטען השווה לרבע ממטען האלקטרון, עשוי להצביע על כך שהמערכת מצויה במצב קוונטי לא אבלי (ראו מסגרת), דבר שמשמעותו היא, שמערכת כזאת עשויה לשמש ביט קוונטי, שעליו יוכלו להתבסס מחשבים קוונטיים.

אפשרות חישוב זו עולה מהעובדה, שבמערכת כזאת מתחוללת תופעה חדשה: החלפת מיקומיהם של שני חלקיקים מדומים מעבירה את המערכת כולה למצב קוונטי שונה. היכולת לחולל הבדל מהותי כזה במערכת הוא זה שעשוי לאפשר למערכת זו לתפקד כביט קוונטי, שעשוי לשמש בסיס לפיתוח מחשב קוונטי.   

 

 

 

נילס הנרי אבל נולד בשנת 1803 בנורווגיה, כבנו של כומר עני. הוא לא זכה להכרה הראויה בחייו, ורק לאחר מותו משחפת בגיל 26 התפרסם, בין היתר, בזכות הגדרת סוג של חבורות הנושא את שמו ("חבורות אבליות"). חבורה אבלית מקיימת חילוף סימטרי בין מערכי הכפלה של חבריה. כלומר: התוצאה שתתקבל מהכפלת אל"ף בבי"ת שווה לתוצאה שמתקבלת כאשר מכפילים בי"ת באל"ף.