- באמצעות פולסי לייזר ורנטגן חזקים, הצליחו חוקרים מהרווארד וממכון שרר לשבור סימטריה אלקטרונית וללכוד מצב קוונטי ממושך – מהלך שעשוי להוביל לפריצות דרך באחסון מידע ובהתקנים אופטואלקטרוניים
ייצוב מצבים קוונטיים חולפים באמצעות אור
פולסי לייזר יוצרים שינויים אלקטרוניים בחומר מסוג קופראט "סולם", ויוצרים מצבים קוונטיים יציבים שנמשכים פי 1,000 מהרגיל. באמצעות פולסים מותאמים של אור וטכניקות רנטגן מתקדמות, מדענים הצליחו ליצור מצבים קוונטיים ממושכים בחומר תחמוצת נחושת – מצבים שנחשבו עד כה לבני חלוף של טריליונית שנייה בלבד.
הפריצת דרך מאפשרת לאלקטרונים לעבור מנהור ולהילכד בקונפיגורציה חדשה, וחושפת תובנות נדירות על סימטריה אלקטרונית. הממצא פותח פתח לטכנולוגיות מהפכניות כמו התקנים אופטואלקטרוניים ואחסון מידע קוונטי.
גילוי כוחות קוונטיים נסתרים באמצעות אור
חומרים מסוימים מפגינים תכונות קוונטיות יוצאות דופן שעשויות להוביל לדור הבא של טכנולוגיות – ממוליכים יעילים במיוחד ועד סוללות עוצמתיות. אך תכונות אלה נסתרות במצבם הטבעי, ויש לחשוף אותן בעדינות.
שיטה אחת כוללת חשיפה לפולסים קצרים במיוחד של אור, שמסיטים את האינטראקציות בין האטומים והאלקטרונים ומאפשרים לתכונות קוונטיות חבויות להופיע לרגע. אך מצבים אלו נעלמים כמעט מיד – בדרך כלל בתוך טריליונית שנייה – ומקשים מאוד על חקירתם או שימוש מעשי בהם.
במקרים נדירים, מצב כזה מחזיק מעט יותר זמן, אך הסיבות לכך אינן מובנות די הצורך ואין דרך ברורה לשחזר את ההשפעה.
כעת, חוקרים מאוניברסיטת הרווארד וממכון פאול שרר (PSI) בשווייץ הצליחו להאריך את חיי המצב הקוונטי לכמה ננושניות – פי אלף יותר מהרגיל – על ידי כיוון מדויק של הסימטריה האלקטרונית בחומר תחמוצת נחושת. הם עשו זאת באמצעות לייזר הרנטגן החזק SwissFEL, שאיפשר גם לעורר וגם לתעד את ההתנהגות יוצאת הדופן.
סולמות קופראט: מגרש משחקים קוונטי פשוט
התרכובת שנחקרה, Sr14Cu24O41 – סולם קופראט – היא כמעט חד-ממדית, עם שתי יחידות מבניות: סולמות ושרשראות של נחושת וחמצן. המבנה הפשוט מספק פלטפורמה נוחה להבנת תופעות פיזיקליות מורכבות שמתרחשות גם במערכות תלת־ממדיות.
"החומר הזה הוא כמו זבוב הפירות שלנו – מודל אידאלי לחקר תופעות קוונטיות כלליות", אומר הפיזיקאי מתאו מיטראנו מהרווארד, שהוביל את המחקר.
טריק אלקטרוני בלי לשנות את המבנה
כדי לייצב מצב לא־שווי־משקל ממושך, אפשר ללכוד אותו ב"באר אנרגיה" שממנה קשה לו להימלט. אך הדבר עלול לגרום למעבר פאזה – שינוי במבנה המולקולרי של החומר – דבר שהחוקרים ביקשו למנוע.
"ניסינו להבין אם אפשר לייצב מצב כזה רק באמצעות מניפולציות אלקטרוניות," הסביר מיטראנו. וכך הוצע פתרון חלופי.
פיזור רנטגן לא אלסטי בתזמון קצוב (tr-RIXS)
החוקרים הפעילו את טכניקת tr-RIXS בתחנת הקצה Furka של SwissFEL, שם נחשפו התהליכים האלקטרוניים המהירים ביותר שמכתיבים את המצב המטא־יציב.
שבירת סימטריה כדי ללכוד מטען
בתרכובת זו, השרשראות טעונות במטען אלקטרוני בעוד שהסולמות כמעט ריקים. במצב שיווי־משקל, הסימטריה האלקטרונית מונעת תזוזת מטען ביניהן. פולס לייזר מדויק שובר את הסימטריה ופותח מעבר קוונטי מהשרשראות לסולמות.
"זה כמו ברז שנפתח ונסגר," אומר מיטראנו. לאחר שהפולס מסתיים, התעלה בין היחידות נסגרת, והמערכת נלכדת במצב קוונטי ממושך – דבר שמאפשר לחוקרים לחקור את תכונותיו.
תיעוד תנועת האלקטרונים
פולסי רנטגן עזים וקצרים במיוחד מ-SwissFEL תיעדו את היווצרות המצב המטא־יציב. באמצעות tr-RIXS, החוקרים צפו בהתפתחויות מגנטיות, חשמליות ואורביטליות בזמן אמת – דבר שבלתי ניתן להשגה בטכניקות אחרות.
"אנחנו יכולים להתמקד באטומים שמעורבים בקביעת תכונות החומר," מסביר אליה רצולי, ראש תחנת Furka. יכולת זו הייתה חיונית להבנת תנועת האלקטרונים שנגרמה מהאור. "ראינו את התנועה בזמנים האולטרה־מהירים שלה וגילינו את המטא־יציבות," מוסיף הפוסט־דוקטורנט הארי פאדמה.
פריצת דרך לקראת התקני קוונטום
הניסוי, הראשון בתחנת Furka, מספק תובנות חדשניות על הדינמיקה האנרגטית והתנעית של חומרים מעוררים. מאז, התחנה שודרגה לשיפור הרזולוציה של tr-RIXS, והיא מוכנה לחקור עירורים חדשים – כמו תנודות סריג.
"מטרת הניסוי הייתה להציג את סוגי המחקרים האפשריים, וכעת התחנה טובה עוד יותר", מסכם רצולי.
לעבר התקני קוונטום ואחסון מידע
המחקר מהווה קפיצת מדרגה בשליטה על חומרים קוונטיים מחוץ לשיווי משקל. הוא פותח אפשרויות ליצירת חומרים עם פונקציונליות מתכווננת, התקנים אופטואלקטרוניים מהירים במיוחד, וממירי אותות בין חשמל לאור – קריטיים לתקשורת קוונטית ומחשוב פוטוני. כמו כן, הוא מסמן דרך לאחסון נתונים לא נדיף במצבים קוונטיים שנשלטים באמצעות אור.
למאמר המדעיhttps://www.nature.com/articles/s41563-025-02254-2
