נמצאו ראיות למצב צבירה חדש

קבוצת חוקרים בינלאומית דיווחה שנמצאו ראיות לקיום חומר במצב צבירה חדש – נוזל ספין קוונטי (Quantum Spin Liquid). את קיומו של מצב הצבירה הזה הציע הפיזיקאי חתן פרס נובל פיל אנדרסון (Anderson) לפני 40 שנה. בנוזל ספין קוונטי, התכונות המגנטיות של החומר אינן קבועות, והסדר המגנטי הוא חלקי.

מצב צבירה של חומר נקבע לרוב לפי צורת הסידור של החלקיקים המרכיבים אותו. במצב הצבירה גז, החלקיקים מפוזרים באקראי, המרחקים ביניהם גדולים, הכוחות החשמליים ביניהם חלשים והם נעים בצורה כמעט חופשית. אוויר, למשל, הוא תערובות של מולקולות שונות בצפיפות נמוכה.

כשמקררים את החומר, החלקיקים מתקרבים זה לזה והכוחות החשמליים ביניהם מתחזקים. כשהטמפרטורה נמוכה מספיק והצפיפות גדולה, הגז הופך לנוזל. בנוזל החלקיקים יכולים לנוע, אבל לא בחופשיות, ותנועתם מושפעת מהכוחות בין החלקיקים. אדי מים, למשל, יהפכו לנוזל במאה מעלות צלזיוס (בגובה פני הים).

אם נמשיך לקרר, הצפיפות תגדל והכוחות בין החלקיקים יהיו חזקים כל כך שהתנועה של החלקיקים תיעצר כמעט לחלוטין והחומר יהיה מוצק. במקרים מסוימים החלקיקים יהיו מסודרים בתבניות מיוחדות (סריגים), ואז המוצק יהיה גבישי. מלח, למשל, הוא גביש שהמולקולות שלו מסודרות בצורת קובייה.

מסדרים את הספין
דברים דומים קורים לתכונות המגנטיות של החומר. לכל אטום או מולקולה יש ספין – סיבוב עצמי – שיוצר שדה מגנטי חלש, כך שכל חלקיק הוא מגנט קטן. בין הספינים פועלים כוחות מגנטיים, כך שהם משפיעים זה על זה כמו ששני מגנטים קרובים דוחים זה את זה או נמשכים זה לזה. אם ניקח למשל פיסת ברזל ונקרר אותה בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, הספינים בברזל יסתדרו במצב שבו כולם יצביעו באותו כיוון. לאחר מכן, גם אם נכבה את השדה החיצוני, הברזל יישאר ממוגנט בזכות הכוחות בין הספינים.

גם בנוזל ספין קוונטי יש כוחות מגנטיים בין החלקיקים, אבל הספינים מתנהגים בצורה הרבה יותר מעניינת וייחודית. בניגוד לברזל, כשמקררים את החומר לטמפרטורות נמוכות לא כל הספינים יצביעו באותו כיוון. הסידור שלהם משתנה כל הזמן כתוצאה מהכוחות ביניהם וממבנה הסריג של החומר. מאחר שהספינים לא מתייצבים לעולם והכוחות ביניהם חזקים, החומר נקרא נוזל-ספין. החלקיקים עצמם אינם זזים, אבל הספין שלהם משתנה כתוצאה מהכוחות המגנטיים.

נוזל ספין קוונטי הוא מצב מיוחד שבו הסידור המגנטי של הספינים אינו מושלם כמו במגנט ואינו אקראי לחלוטין כמו בחומרים רגילים. הספינים עצמם נמצאים במצב של שזירה קוונטית, כלומר שינוי בספין במקום אחד בחומר משפיע על הספינים במקום אחר, רחוק ממנו. מצב כזה רצוי עבור מִחשוּב קוונטי, שבו שזירה קוונטית היא תכונה חשובה.

קבוצת החוקרים בחנה תרכובת של רותניום כלורי (α-RuCl3). הם ירו קרן נייטרונים אל אבקה של החומר ובחנו איך הקרניים שנוצרות מתפזרות ממנו. בחומר מגנטי רגיל היו מתקבלות כמה נקודות חזקות וברורות. בנוזל ספין קוונטי, לעומת זאת, הפיזור רחב יותר והנקודות פחות ברורות, וזה מה שראו החוקרים.

הכרת התכונות של נוזל ספין קוונטי היא נדבך נוסף בהבנה של תופעות קוונטיות מרובות חלקיקים. הבנה של תכונות השזירה הקוונטית בחומר והיכולת לשלוט בה תוכל להוביל להתקדמות ניכרת בתחום המחשוב הקוונטי.