החומר שיודע לזרום כמו נוזל ולהסתדר כמו מוצק

כיצד חומר יכול להיות גם מוצק וגם לזרום ללא חיכוך? למעט מצבי הצבירה המוכרים לרובנו, מוצק, נוזל וגז, ישנם גם מצבי צבירה אקזוטיים ומרתקים במיוחד אשר מתקיימים רק בעקבות התכונות המשונות של חלקיקים קוונטיים. על-מוצקים הם חומרים כאלו, ויש להם שתי תכונות שנשמעות סותרות לחלוטין: מבנה בעל סדר מובנה וקבוע, וזרימה של החומר ללא חיכוך. מחקר חדש בהשתתפות חוקר מאוניברסיטת תל אביב מציג תחזית תאורטית לפיה דאוטריום, איזוטופ של מימן המהווה מרכיב במים כבדים, יכול לרכוש תכונה זו בלחצים גבוהים ביותר ובטמפרטורות נמוכות.

התכונה שהופכת חומר ל'על-זורם'

מתוך ממצאי המחקר עולה כי הדאוטריום, שמופיע כגז בתנאי החדר, מסוגל לשנות את מצב הצבירה ל"על-מוצק" כאשר הוא מצוי בלחץ של 8 מיליון אטמוספירות וקרוב לטמפרטורת האפס המוחלט. המחקר נערך בשיתוף פעולה בין ד"ר צ'אנג-וו מיונג מאוניברסיטת קיימברידג', פרופ' מיקלה פרינלו מהמכון האיטלקי לטכנולוגיה בג'נובה וד"ר ברק הירשברג מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

הקיום של על-מוצקים נחזה לפני למעלה מ-50 שנים ברמה התאורטית והצית מחלוקת עזה בקרב פיזיקאים. אולם, לפני כחמש שנים הוכח קיומו באופן חד משמעי בניסויים על אטומים קרים לכודים. החוקרים אומרים כי הבנת המנגנונים העומדים בבסיס התהליך וגילוי על-מוצקים חדשים היא נושא מחקר שתפס תאוצה רבה בשנים האחרונות, ואפילו ביתר שאת מאז התצפית הניסיונית.

"כדי שחומר יזרום ללא חיכוך, מה שמכונה 'על-זורם', פונקציות הגל של האטומים המרכיבים אותו צריכות לחפוף כך שלא ניתן יהיה להבחין ביניהן יותר. ואם כך, נשאלת השאלה – כיצד יתכן שישמרו על הסדר המרחבי שמאפיין מוצקים?", מסביר ד"ר הירשברג.

"הסיבה היא כזו: במחקר גילינו כי הלחץ הגבוה מאלץ את אטומי הדאוטריום להתקרב ולהפוך למוצק בעל תכונות של מתכת. במתכת, שהיא שם נרדף לחומר מוליך, האלקטרונים של אטומי הדאוטריום דוחים זה את זה קצת פחות מאשר בחומר מבודד, מה שמאפשר לאטומים להתקרב עוד יותר. שתי תכונות אלה יחד, מעודדות את היווצרות העל-זורם. נוסף על כך, הראינו בהדמיות מחשב כי דאוטריום הופך לעל-זורם, אך גם שומר על המבנה הגבישי שלו באותה העת, וכך מתקבל מצב הצבירה המכונה על-מוצק. מעט מאוד תחזיות לקיום של חומרים על-מוצקים פורסמו עד כה, ובפרט בחומרים מציאותיים ומוכרים כמו דאוטריום", מוסיף ד"ר הירשברג.

^{זורם כמו נוזל, מסתדר כמו מוצק. חומר על-זורם}

למידת המכונה מתיידדת עם הכימיה

ההדמיות החישוביות שערכו החוקרים, התאפשרו באמצעות אלגוריתם חדש לתיאור מערכות קוונטיות מיוחדות שפיתח ד"ר הירשברג, במהלך שהותו כפוסט-דוקטורנט במכון הטכנולוגי הפדרלי של ציריך (ETH Zurich). בזכות אלגוריתם זה, המבוסס על תיאוריה שפיתח הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, הצליח ד"ר הירשברג להפחית בצורה דרמטית את סך החישובים הנדרש לצורך הדמיית המערכת. בנוסף, כדי לתאר את תחום הלחצים והטמפרטורות הקיצוני, עשו החוקרים שימוש בכלים מתחום למידת המכונה ובכללם רשת נוירונים מלאכותית, לתיאור יחסי הגומלין בין האטומים בחומר.

"השימוש בלמידת מכונה עבור הכוחות המולקולריים הוא כיוון מבטיח בכימיה חישובית. התחזית התאורטית שאנו מספקים במאמר החדש פותחת אופקים חדשים, מכיוון שתחום הלחצים והטמפרטורות הרלוונטי יוכל להיבדק בעתיד הקרוב בניסוי. מעבר לכך אנו צופים כי התובנות שהופקו מהמחקר יהיו בעלות חשיבות גם באיתור על-מוצקים בחומרים נוספים", מסכם ד"ר הירשברג.

^{ד"ר ברק הירשברג}