מנות קצובות של חום

מעט אחרי חצות צילצל הטלפון בביתו של פרופ' מרדכי (מוטי) הייבלום, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע. על הקו הייתה החוקרת הבתר-דוקטוריאלית, ד"ר מיטלי בנרג'י. "זה עובד", אמרה. כך הגיע רגע השיא במאמץ מחקרי שנמשך כשנתיים, ובמסגרתו, לפי עדותה של ד"ר בנרג'י, "מוטי עבד לילות שלמים במעבדה, כמו סטודנט צעיר לדוקטורט". כך הצליחו החוקרים להוכיח, שחלקיקים מדומים (קוואזי-חלקיקים), אשר נושאים מטענים חשמליים שבריים (שבר ממטען האלקטרון), או אפילו חלקיקים חסרי מטען, נושאים איתם אותה כמות חום (אנרגיה) כמו חלקיקים אמיתיים, דוגמת אלקטרונים ופוטונים.

מחקר זה נשען על סדרת תגליות קודמת של פרופ' הייבלום ושותפיו למחקר. בתחילה הצליחו המדענים להוכיח – באמצעות ניסוי – תחזית תיאורטית מפתיעה (דבר שתרם לכך שיוצר התיאוריה זכה בהמשך בפרס נובל). לפי תיאוריה זו, במערכת של תופעת הול הקוונטית השברית נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים (או קבוצות) של אלקטרונים המתַפקדים כ"חלקיקים מדומים", שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד: שליש ממטען האלקטרון, חמישית או שביעית ממנו (למעשה, החלקיקים ה"מדומים" מתַפקדים כחלקיקים אמיתיים לכל דבר). בניסויי המשך הצליחו המדענים להראות, שבמערכת זו – של תופעת הול הקוונטית השברית – קיימים גם חלקיקים מדומים אחרים, שמטענם החשמלי שווה לרבע ממטען האלקטרון (כלומר, הוא בעל מכנה זוגי). ואז, סדרת ניסויים נוספת נתנה בידיהם את הוכחת התיאוריה, שגרסה כי באותה מערכת עשויים להתקיים גם חלקיקים מדומים שונים לחלוטין, שאינם נושאים מטען חשמלי (כלומר, הם ניטרליים), אשר נושאים אנרגיה – ונעים בדרך כלל בכיוון הפוך לכיוון הזרם החשמלי.

המאפיין הבולט ביותר של תופעת הול הקוונטית (וכן הנגזרת שלה, תופעת הול הקוונטית השברית), הוא הדיוק הכמעט מושלם. כלומר, המוליכות החשמלית שבה נמדדת במנות מדויקות (הנקבעות לפי מטען האלקטרון וקבוע פלנק בלבד). הסטייה ממנות אלו מגיעה לעיתים למיליארדית אחת בלבד. אבל האם התכונה הזאת – הופעה של מוליכות חשמלית במנות קצובות ומדויקות – מאפיינת גם את הולכת החום במערכת?

על הקו הייתה החוקרת הבתר-דוקטוריאלית, ד"ר מיטלי בנרג'י. "זה עובד", אמרה. כך הגיע רגע השיא במאמץ מחקרי שנמשך כשנתיים, ובמסגרתו, לפי עדותה של ד"ר בנרג'י, "מוטי עבד לילות שלמים במעבדה, כמו סטודנט צעיר לדוקטורט"

לפי תיאוריה שהועלתה לפני כ-20 שנה, חלקיקים חופשיים, דוגמת אלקטרונים, פוטונים או פונונים, הנעים ללא התנגשויות, מוליכים (או מסיעים) חום באותה כמות וב"מנות" קבועות. פרופ' הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו, בשיתוף עם התיאורטיקאים פרופ' יובל אורג ופרופ' עדי שטרן ממכון ויצמן למדע, ופרופ' דמיטרי (דימה) פלדמן מאוניברסיטת בראון בארצות הברית, ביקשו לבחון את התיאוריה הזאת, ולבדוק אם החום המוסע במערכת על-ידי חלקיקים מדומים שבריים או ניטרליים אכן מופיע גם הוא במנות קצובות מדויקות; ובעיקר, לבדוק אם אינו תלוי כלל במטען החשמלי של החלקיקים שנושאים אותו.

המדענים, ובהם מדעני הסגל ד"ר ולדימיר אומנסקי וד"ר דיאנה מהלו, ותלמיד המחקר אמיר רוזנבלט, הראו שהחום אכן מוסע במנות מדויקות, התלויות אך ורק בגדלים אוניברסליים כמו קבוע בולצמן, קבוע פלנק והערך המתמטי "פיי". יתרה מזאת: לעיתים, בעוד הזרם החשמלי נע – ומסיע גם חום – בכיוון מסוים, חלקיקים מדומים חסרי מטען, נעים – ונושאים חום – בכיוון הפוך. כפי שנמדד, במצבים קוונטיים מסוימים, כמות החום שהאחרונים נושאים גדולה מכמות החום שנושא הזרם החשמלי, ולכן, "בשוּרה התחתונה", החום אינו מוסע בכיוון הזרם החשמלי, אלא בכיוון ההפוך. תופעה קוונטית זו מנוגדת לתפיסה המוכרת בפיסיקה הקלאסית.

הבנת הדרך שבה החום מוסע, ומדידת מוליכות החום הקוונטית, מוסיפה מידע חשוב על המצב הקוונטי של המערכת, שאי-אפשר היה לקבל עד כה באמצעים האחרים שעמדו לרשות המדענים. תוצאה זו פותחת אפשרויות רבות לניסויים עתידיים אשר עשויים להרחיב את הידע בתחום זה. 

פרופ' דמיטרי פלדמן מאוניברסיטת בראון מסביר את הממצאים