מדענים ייצרו "ננו-טרמפולינה" כדי לחקור התנהגות קוונטית

2017-03-13

קבוצות מחקר מאוניברסיטת בר-אילן ו-CNRS בצרפת פיתחו ניסוי ייחודי בכדי לחקור אירועים קוונטים בדגמים ננו-דקים. מחקר חדשני זה, אשר התפרסם בכתב העת המדעי Nature communications, מגביר את ההבנה של תופעות בסיסיות המתרחשות במערכות ננומטריות קרוב לטמפרטורת האפס המוחלט.

מעבר פאזה הוא כינוי כללי לתופעה פיסיקלית בה עוברת מערכת ממצב פיסיקלי אחד לשני כתוצאה משינוי טמפרטורה. דוגמאות יומיומיות הן המעבר מקרח למים (מוצק לנוזל) ב0 מעלות וממים לאדים (נוזל לגז) ב100 מעלות.

הטמפרטורה בה מתרחש המעבר נקראת הנקודה הקריטית. בסביבת הנקודה הזו קורות תופעות פיסיקליות מעניינות. לדוגמה, כשמים מתחממים, איזורים קטנים של גז נוצרים בתוך הנוזל והמים מבעבעים. כאשר הטמפרטורה מתקרבת לנקודה הקריטית הבועות הולכות וגדלות. כאשר גודל הבועות משתווה לאורך הגל של אור, האור מתפזר וגורם לנוזל השקוף להיראות לבן – תופעה המכונה עכירות קריטית – critical opalescence.

לאחרונה הקהיליה המדעית מגלה ענין הולך וגובר במעברי פאזה קוונטים בהם  מערכת עוברת בין שתי פאזות כתוצאה משינוי בפרמטר פיסיקלי כגון לחץ או שדה מגנטי  במקום טמפרטורה. מעברים מסוג זה מתרחשים לא בגלל אנרגיה תרמית המסופקת למערכת על ידי חמום אלא על ידי פלוקטואציות קוונטיות. למרות שטמפרטורת האפס המוחלט אינה בת השגה, מאפיינים של מעבר הפאזה ניתנים לזיהוי בהתנהגות המערכת בטמפרטורות מאד נמוכות קרוב לנקודה הקריטית הקוונטית. מאפיינים אלו כוללים "בועות קוונטיות" של פאזה אחת בתוך השנייה. הגודל וזמן החיים של בועות קוונטיות אלו מתגברים כשהמערכת מתקרבת לנקודה הקריטית וכך מתקבלת אנלוגיה קוונטית לתופעת העכירות הקריטית.

הנבוי התיאורטי של קריטיות קוונטית כזו ניתן לפני מספר עשורים, אבל הדרך למדוד אותה בניסיון היה לא ידוע. פרופסור אביעד פרידמן מהמחלקה לפיסיקה  ומהמכון לננוטכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן יחד עם הדוקטורנט שחף פורן ודוקטור אוליביה בורג'ואה ממכון ניל בגרנובל שבצרפת סיפקו לראשונה את התשובה.

פרופ' אביעד פרידמן, המחלקה לפיסיקה והמרכז לננוטכנולוגיה, אוניברסיטת בר-אילן

במעברי פאזה קלאסיים יש גודל מדיד המשמש לזיהוי נקודה קריטית. גודל זה הוא החום הסגולי שהוא מדד לכמות החום שיש לספק למערכת על מנת להעלות את הטמפרטורה שלה במעלה אחת. העלאת הטמפרטורה בשתי מעלות דורשת פי שניים אנרגית חום מזו הדרושה להעלאה במעלה אחת. אולם קרוב לנקודה קריטית המצב שונה. הרבה מהאנרגיה מנוצלת ליצירת בועות (או פלוקטואציות) ולכן נדרשת יותר אנרגיה כדי לייצר שינוי טמפרטורה דומה. כתוצאה מכך, החום הסגולי גדל ליד מעבר פאזה ומדידה שלו מספקת מידע אודות הפלוקטואציות.

מדידת חום סגולי של מערכת קרוב לנקודה קריטית קוונטית מציגה אתגר גדול בהרבה. ראשית, המדידה צריכה להתבצע בטמפרטורות מאד נמוכות. שנית, המערכות הרלוונטיות הן שכבות ננו-דקות הדורשות מדידות סופר-רגישות. הקבוצות של פרידמן ובורג'ואה התגברו על מכשולים אלו ע"י פיתוח מערכת ניסיונית המבוססת על ממברנה דקה התלוייה באויר על גבי גשרים צרים מאד היוצרים "ננו-טרמפולינה". מבנה זה איפשר מדידת חום סגולי של ננו דגמים במשקל של עשרות ננוגרמים (מאית מיליונית הגרם) וכך נחקרו שכבות אולטרה-דקות דרך מעבר פאזה קוונטי ממוליך-על למבודד חשמלי בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט.

המדידה שבוצעה על ידי קבוצותיהם של  פרידמן ובורג'ואה היא ראשונה מסוגה. נכון להיום זהו הניסוי התרמי הרגיש ביותר, המסוגל לזהות שינויי טמפרטורה של מספר מיליוניות מעלה צלציוס בדגמים בעלי משקל של עשרות ננוגרם. התוצאות מדגימות שכמו במקרה של מעבר פאזה תרמי, החום הסגולי גדל בצורה דומה בקירבת נקודה קריטית קוונטית , ויכול לשמש כגשש של קריטיות קוונטית. תוצאות המחקר צפויות להוות אבן דרך בהבנת התופעות הפיסיקליות שמעצבות את ההתנהגות של מערכות אולטרה-דקות בטמפרטורה אולטרה-נמוכה.