הגז ששר בשני קולות

מחקר חדש, שהתפרסם בכתב העת Physical Review Letters מציג תצפית ראשונה בתופעה קוונטית שמאפשרת לשני סוגים שונים של גלי קול להתקיים זה לצד זה באותו גז, כשכל אחד מהם נובע מתכונה אחרת של החומר. משמעות הדבר היא שבאותו תווך נוצר צמד גלים שלכל אחד מהם מהירות קול אחרת. מדובר בתופעה חריגה ולא טריוויאלית, שכן בחומרים המוכרים לנו מחיי היומיום, כגון אוויר, מים, פלדה ועוד, הקול נע בכל אחד מהם במהירות אחת ויחידה. צוות חוקרים בריטי בראשות זוראן חדזיבביץ' (Hadzibabic) אימת כעת תיאוריה ותיקה, מלפני כשמונים שנה, שחזתה את קיומה של התופעה בגז שנמצא בטמפרטורה נמוכה מאוד. 

לפני כ-85 שנה גילו הפיזיקאי הרוסי פיוטר קפיצה (Kapitsa) ועמיתיו הקנדים ג'ון אלן (Allen) ודונלד מייסנר (Misener), מצב צבירה חדש שנקרא "נוזל-על". לא מדובר בתופעה יומיומית שקל ליצור בבית, שכן המצב הזה מתקיים רק בטמפרטורות נמוכות ביותר, הקרובות לאפס המוחלט. במצב הזה מקבלים נוזל שמתנהג בצורה משונה למדי: הוא זורם בלי כל צמיגות ובלי לאבד אנרגיה, בשונה מכל נוזל המוכר לנו. למשל כשמקררים גז הליום-3 לטמפרטורה של 2.2 מעלות קלווין – כ-271 מעלות צלזיוס מתחת לאפס – הוא הופך לנוזל-על. על גילוי התכונה הזאת של ההליום זכו דיוויד לי (Lee), דאגלס אושרוף (Osheroff) ורוברט ריצ'רדסון (Richardson) בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1996.

ב-1941 הציע הפיזיקאי היהודי-סובייטי לב לנדאו (Landau) תיאוריה שמסבירה את תופעת נוזליות-העל. על פי מודל ה"דו-זורם" שלו, במצב הזה החומר הוא למעשה תערובת של שני זורמים – האחד זורם רגיל והשני זורם-על, שכל האטומים בו נמצאים באותו מצב קוונטי, כלומר הם בעלי אותן תכונות דינמיות בדיוק, כגון מיקום, תנע, אנרגיה, תנע זוויתי וספין. לתופעה השנייה קוראים "עיבוי בוז-איינשטיין", על שם אלברט איינשטיין והפיזיקאי ההודי סָטינדרה נאת בוז (Bose), והיא כר פורה למחקר בפני עצמה.

מצב שעשוי להתקבל כשמקררים חומר עד קרוב מאוד לאפס המוחלט. סימולציה של עיבוי בוז-איינשטיין | National Institute of Standards and Technology, Science Photo Library

ניסוי בקור קיצוני

במשך שנים ניסו חוקרים להוכיח את מודל הדו-זורם במערכות קוונטיות מוכרות: כך למשל, נמצא שהמודל אכן התאים לתיאור של זורמים בלתי דחיסים – כאלה שהצפיפות שלהם אינה משתנה כשמגדילים את הלחץ הפועל עליהם. אותו דבר נמצא הן בגזים "רגילים", המורכבים מאטומים, שעברו עיבוי בוז-איינשטיין, הן בגזי פֶרמי שעשויים מאלקטרונים. במחקר הנוכחי החוקרים בחנו מודל הדו-זורם של לנדאו, ובדקו לשם כך את התנהגות גלי הקול בגז בוז-איינשטיין דחיס. הבחירה בגלי קול נובעת מאופיים היסודי: ברמה המיקרוסקופית, גלי הקול מייצגים את תנודות האטומים, כך שתכונות החומר משתקפות בהתנהגות הגלים שנעים בו.

מערכת הניסוי כללה קופסת רִיק תלת-ממדית (למספר הממדים חשיבות רבה בתרמודינמיקה), שלתוכה הזרימו גז של אטומי אשלגן-39 וקיררו אותו לטמפרטורה של פחות ממיליונית קלווין – קרוב מאוד לאפס המוחלט. גז הוא מצב צבירה המאופיין במרחק גדול בין האטומים או המולקולות. בתנאי קור קיצוניים כאלה, חלק מאטומי הגז מצליחים להתקרב זה לזה ולהידחס, אף על פי שהם כמעט ולא נעים והאינטראקציה ביניהם מעטה. במצב הזה, החוקרים יצרו אינטראקציה מלאכותית בין האטומים שהובילה להפיכת חלק מהגז לזורם-על. בסך הכול, נוצר במערכת מה שקרוי דו-זורם: 43 אחוזים מהגז הם זורם-על ו-57 האחוזים הנותרים הם זורם "רגיל".

החוקרים שידרו גלי קול שיצרו תנודות בתוך הקופסה. לכל תנודה יש צליל (תדר) ייחודי משלה, אך מכיוון שהגז מורכב משני זורמים בעלי התנהגות שונה, נוצרו זוגות תואמים של גלים שמהירויותיהם אחרות. במאמרם הראו החוקרים כי היחס בין שתי מהירויות הקול אינו קבוע. בתדרים מסוימים, מהירות הקול בנוזל-העל תהיה גבוהה יותר ממהירות הקול בנוזל הרגיל, ואילו בתדרים אחרים המצב יהיה הפוך.

"הניסוי פותח צוהר למדידת תכונותיהם של גלים בזורם-על בתחומי פרמטרים שהיו לא נגישים עד עתה, כלומר כשדחיסות זורם-העל גבוהה", מסביר הפיזיקאי פרופ' משה גולדשטיין מאוניברסיטת תל אביב, החוקר הידרודינמיקה של זורמים קוונטיים. "הממצאים צפויים להעמיק את הבנת תכונותיהם של זורמים קוונטיים, נושא שנמצא כיום בחזית המחקר במגוון מערכות, לא רק באטומים בטמפרטורות נמוכות במיוחד כמו במאמר, אלא גם בפלזמות קווארקים-גלואונים במאיצי חלקיקים ובאלקטרונים בחומרים מוצקים כמו גרפן".

וכותבי המאמר מסכמים: "מצאנו כי תיאוריית הדו-זורם מגלמת את כל הרכיבים העיקריים של המערכת. הגישה הניסיונית [שהניסוי אפשר] לתכונות מיקרוסקופיות והידרודינמיות, מציעה הזדמנות מושלמת למחקר נרחב יותר בזורמי בוז-איינשטיין". אף שהחוקרים עצמם אינם דנים ביישומים האפשריים של ממצאיהם, הם פותחים כיוונים למחקרים נוספים, שישפכו אור על הטבע המשונה של זורמים קוונטיים. נושא מדעי חם, או בעצם קר מאוד.