הפיזיקאים הוכיחו: תופעה קוונטית מוזרה מתרחשת ממש מול העיניים

יישום התשתית הזו איפשר לצוות לחלץ לראשונה מדד ישיר להסתבכות מתוך מוצק בתפזורת – סטייה חדה מניסויים מסורתיים, הנשענים על הכנה ובידוד קפדניים של המצב הקוונטי.

הניסוי: נייטרונים חושפים קולקטיבים מסובכים

החוקרים, בראשות פרופ' זילקה ביהלר-פאשן (Silke Bühler-Paschen) מ-TU וינה, לא ניסו להציב את הגביש כולו בסופרפוזיציה – דבר בלתי אפשרי מעשית עבור אובייקט כה גדול. במקום זאת, הם השתמשו בפיזור נייטרונים לא אלסטי (inelastic neutron scattering) במכון לאו-לנז'בן (ILL) בגרנובל, צרפת, כדי למדוד את פונקציית קורלציית הספין הדינמית של החומר, S(q, ω, T). במילים פשוטות, הם הפציצו את הגביש בנייטרונים וצפו כיצד הספינים של החלקיקים בחומר נעים ומשתנים יחדיו, כפונקציה של אנרגיה, תנע וטמפרטורה .

כאשר החוקרים יישמו את פורמליזם ה-QFI על נתוני הפיזור, התוצאות היו מדהימות. התגובה הקולקטיבית של הגביש הייתה חזקה מכדי שאפשר יהיה להסבירה באמצעות חלקיקים עצמאיים. צפיפות ה-QFI הגיעה לערך של f_Q = 8.2 ± 0.9 בטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדה – ערך המתמטית מתאים לקבוצה של לפחות תשע ישויות קוונטיות מסובכות הפועלות יחדיו. ההסתבכות הגיעה לשיאה בטמפרטורה של 60 מיקרו-קלווין (60 mK), הקרה ביותר בניסוי, ובקרבת שדה מגנטי של כ-1.73 טסלה – בדיוק בנקודה הקריטית הקוונטית שבה מתרחש הרס קונדו. כשהגביש קורר מ-10 קלווין ל-60 מיקרו-קלווין, צפיפות ה-QFI זינקה כמעט פי 40 ללא שום סימן לרוויה, מה שמרמז שייתכן שקיימת הסתבכות חזקה אף יותר בטמפרטורות נמוכות יותר , .

מדוע מתכות מוזרות הן אכן מוזרות

התוצאות מציעות נרטיב חדש ומשכנע לאחת החידות הגדולות ביותר בפיזיקה של חומר מעובה. מתכות מוזרות אינן מוליכות חשמל כמו מתכות רגילות. נראה כי האלקטרונים שלהן מאבדים את זהותם האישית ויוצרים מעין "מרק קוונטי" קולקטיבי. הניסוי קושר באופן ישיר בין התמוטטות הקוואזי-חלקיקים בנקודת הרס קונדו הקריטית לבין עלייה חדה בהסתבכות הרב-חלקיקית , . ייתכן שההתנגדות החשמלית העולה ליניארית עם הטמפרטורה, המזוהה עם מתכות מוזרות, אינה טביעת אצבע של אי-סדר או פיזור פשוט, אלא חתימה של מצב קוונטי קולקטיבי ומסובך מאוד.

מפיזיקה יסודית לחיישנים קוונטיים

מעבר להסברת טבען של מתכות מוזרות, העבודה סוללת דרך מעשית קדימה עבור טכנולוגיה קוונטית. מידע פישר הקוונטי אינו רק גלאי להסתבכות; הוא גם הגודל המרכזי במטרולוגיה קוונטית – מדע המדידה האולטרה-מדויקת. חומר המפגין הסתבכות פנימית חזקה ויציבה הוא פלטפורמה טבעית לחיישן רגיש במיוחד. אם ניתן יהיה לשמר הסתבכות כזו בטמפרטורות גבוהות ופרקטיות יותר, ניתן יהיה להשתמש בחומרים הללו למגוון יישומים, החל מחישה של שדות מגנטיים ועד לגילוי גלי כבידה. המחקר פותח פתח לשימוש בשיטות מבוססות QFI למיפוי שיטתי של חומרים קוונטיים אחרים, לרבות מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, בחיפוש אחר הסתבכות מאקרוסקופית , .

חזית מחקרית משותפת

המחקר היה פרי של שיתוף פעולה בינלאומי. את העבודה הניסויית הובילה קבוצתה של זילקה ביהלר-פאשן ב-TU וינה, כאשר תלמיד הדוקטורט פדריקו מאצה (Federico Mazza) ביצע את ניסוי פיזור הנייטרונים ב-ILL גרנובל. הבסיס התיאורטי נבנה על ידי צוותו של פיטר צולר באוניברסיטת אינסברוק, בתרומה נוספת של קימיאו סי (Qimiao Si) מאוניברסיטת רייס, שקבוצתו חוקרת זה שנים את מנגנון הרס קונדו ב-Ce₃Pd₂₀Si₆.

באמצעות איחוד הכלים המופשטים של תורת האינפורמציה הקוונטית עם המציאות המבולגנת של מוצק בתפזורת, בנה הצוות גשר בין שני תחומים שהיו מרוחקים זה מזה בעבר. הפיזיקאים העניקו לעולם דרך חדשה לחזות ב"פעולה המפחידה מרחוק" שאיינשטיין הטיל בה ספק מפורסם – לא בתא ואקום מבוקר, אלא בתוך גביש קטן ומנצנץ המונח לעיני כול.