קרוב לחמישים שנה אחרי שקיומו נחזה, הצליחו מדענים לייצר חומר מוצק שהספין של האטומים שלו מתנהג כמו נוזל
מדענים מאוניברסיטת הרווארד בארצות הברית הצליחו ליצור מערכת פיזיקלית שנמצאת במצב צבירה שלא נצפה עד כה: נוזל ספין. אומנם קיומם של נוזלים כאלה נחזה תיאורטית כבר בשנות ה-70, אבל עד עתה הם לא נצפו בטבע ולא הצליחו לייצר אותם באופן מלאכותי. חקר מצב הצבירה החדש יוכל לנפק תובנות חדשות לגבי חומרים בעלי אופי קוונטי, ולאפשר את השימוש בו בטכנולוגיות כמו המחשב הקוונטי.
אם נסתכל על מערכת שנמצאת במצב הצבירה נוזל ספין, היא לא תיראה לנו כמו נוזל. מה שנראה יהיה גביש מוצק שהאטומים שלו נמצאים במקום מוגדר ואינם זזים. מה שמתנהג כנוזל במצב הצבירה הזה הוא הספין של האטומים – תכונה של האטום שאפשר, באופן פשטני מעט, לתאר ככיוון הסיבוב של האטום סביב עצמו, והיא משפיעה על התכונות המגנטיות שלו.
הספין של האטומים יכול לקבל אחד משני ערכים, שמוגדרים כ"למעלה" ו"למטה", וכל אטום יכול להחליף את כיוון הספין שלו בעקבות יחסי גומלין עם האטומים שסביבו. בהיעדר התערבות חיצונית, מערכות פיזיקליות יסתדרו במצב שבו האנרגיה של המערכת היא הנמוכה ביותר האפשרית, כמו שכדור יתגלגל במורד גבעה אם לא נחזיק אותו במקומו. בחומרים מסוימים, בין השאר בנוזלי ספין, האיזון הזה מושג כשלשני אטומים שכנים יש ספין שכיוונו הפוך.
האטומים בנוזל ספין רוצים להסתדר כך שלשני אטומים שכנים יש ספין מנוגד | איור: נעה פלדמן
האטומים נמצאים בתוך גביש בעל מבנה סדור, למשל על קודקודים של מגיני דוד. תצורת גביש כזאת יוצרת בכל משולש בגביש מצב שמכונה "תסכול" – שם קולע, שכן במשולש אין שום דרך לסדר את הספינים של האטומים כך שלכל זוג שכנים יהיו ספינים שכיוונם הפוך.
גביש בתצורת מגן דוד, שבה התקבל נוזל ספין, והמחשה כי כשאטומים מסודרים במשולש, תמיד שניים מהספינים יהיו זהים, מה שגורם לתסכול | איור: נעה פלדמן
התסכול הזה יכול לייצר מצבי צבירה מוזרים בחומר, שאחד מהם הוא מצב של נוזל ספין: אף שהאטומים בגביש אינם נעים כלל, הספינים שלהם מתחלפים בהתמדה ואפשר לדמות את מצבם כאילו הספין זורם לאורך הגביש כמו נוזל. בין הספינים של אטומים במשולשים סמוכים נוצר קישור, והקשרים האלה מתפתחים בתורם לשזירה קוונטית בין כל האטומים בגביש, כלומר, קשר שאינו מתבטא רק בין כל אטום לשכניו, כמו קשרים כימיים רגילים, אלא גם בין אטומים רחוקים זה מזה.
האטומים קבועים במקומם, אבל הספין שלהם משתנה לאורך הגביש, בדומה לתנועה של נוזל | איור: נעה פלדמן
היתרון והחיסרון של היציבות
נוזל ספין הוא מצב צבירה המתאפיין בקשר בין כל חלקיקי הגביש. כתוצאה מכך, רעש או תקלה שמוגבלים רק לקבוצה קטנה של אטומים קרובים לא יכולים לשנות את מצב הצבירה, אלא רק תקלה כוללת שמחוללת שינויים בכל רחבי הגביש. לכן מצב הצבירה הזה יציב מאוד. מאותה סיבה בדיוק מדענים התקשו מאוד עד כה לייצר את מצב הצבירה הזה ולמדוד אותו. כדי שייווצר דרושות פעולות שישפיעו על כל הגביש בעת ובעונה אחת, ולא רק על קבוצות אטומים קטנות בנפרד. גם זיהוי מצב הצבירה דרש מדידות בעלות אופי כוללני.
במשך השנים עשו קבוצות מחקר רבות מאמצים לייצר ולזהות נוזלי ספין, ולעיתים אף נראה שהצליחו, כמו בניסוי משנת 2016, אך בסופו של דבר כולם נכשלו. במחקר הנוכחי החוקרים ייצרו את הגביש באמצעות שימוש באטומי רידברג: אטומים שיש בהם אלקטרונים ברמת אנרגיה גבוהה מאוד ומאחר שלאלקטרונים יש מטען חשמלי שלילי, האטומים הללו רגישים מאוד לשדות אלקטרומגנטיים חיצוניים. במצב כזה, התכונות הקוונטיות של האטומים חזקות בהרבה מאפקטים הנובעים מהתרמודינמיקה של המערכת, כלומר מתנודות האנרגיה שבה, ואפשר לשלוט בכל אטום בנפרד באמצעות שדות מגנטיים. מערכת כזאת היא מערכת קוונטית שאפשר לשלוט בתכונותיה בצורה מבוקרת. היא נקראת "מדמה (סימולטור) קוונטי", מאחר שהיא מאפשרת הדמיה של מערכות קוונטיות תוך שליטה בתכונות כגון גודל האינטראקציה בין אטומים או מיקום האטומים בגביש.
ייצור של נוזל ספין במעבדה הוא הישג מרשים וקפיצת מדרגה בחקר חומרים קוונטיים וגם בפיתוח טכנולוגיה קוונטית: היכולת לייצר נוזלים כאלה בניסוי בתנאים מבוקרים צפוי לפתוח פתח להבנת תהליכים נוספים שמתרחשים בחומרים במצב הצבירה הזה, ואולי גם לפענוח תופעות שנצפו בטבע אך עד כה לא נמצא להן הסבר תיאורטי.
חקר של נוזלי ספין שייוצרו במערכת מבוקרת יוכל גם ללמד אותנו על התנאים הנדרשים כדי למצוא חומרים כאלה בטבע. היציבות של נוזל ספין צפויה להיות שימושית בפיתוח של מכשירים המבוססים על תכונות קוונטיות כגון מחשבים קוונטיים, שאחד האתגרים המרכזיים בפיתוח הוא הקושי לשמור על היציבות של יחידות העיבוד שלו.
