קבוצת המחקר הניסויית של יואב שגיא, גל נס, קוסטה שקדרוב וינאי פלורסהיים, הובילה שיתוף פעולה עם קבוצת התיאוריה של ריכרד שמידט, ממכון מקס פלאנק במינכן, שתוצאותיו פורסמו לאחרונה בעיתון Physical Review X, בליווי סקירה לקהל הרחב במגזין Physics.

המחקר בדק את ההתנהגות של זיהומים קוונטים (quantum impurities) במערכת של גז פרמי קר. זיהומים אלו הם למעשה אטומים השונים משאר האטומים במצב הספין שלהם. בטמפרטורה נמוכה מספיק, הסטטיסטיקה הקוונטית של האטומים הפרמיונים מקטינה משמעותית את האינטראקציות בין אטומי הסביבה, ומאפשרת לימוד של ההשפעה שיש לאינטראקציה בינם לבין הזיהומים על מצב היסוד של המערכת. חוזק האינטרקציה נשלט בניסוי ע״י שינוי השדה המגנטי החיצוני.

ידוע כי שני מצבי יסוד יתכנו במערכת כזאת עם זיהומים: מצב אחד בו האינטראקציות גורמות לעוות מקומי של צפיפות אטומי הסביבה, המתנהג כחלקיק פרמיוני אפקטיבי הנקרא 'פולרון' (polaron), ושלו תכונות שונות מתכונות הזיהום. במצב היסוד השני, המצוי כשהאינטראקציה חזקה יותר, הזיהום נקשר לאטום ספציפי מאטומי הסביבה ונוצרת מולקולה. גם למולקולה הזו יש אינטראקציה עם אטומי הסביבה, ולכן גם היא מתנהגת כחלקיק אפקטיבי, אבל בעל תכונות בוזוניות. עבודות תיאורטיות, שבוצעו בגבול של זיהום יחיד בטמפרטורה אפס, חזו מעבר פאזה חד (מסדר ראשון) בין שני מצבי יסוד אלה ככל שהאינטראקציה מתחזקת.

בניגוד לתחזיות אלו, החוקרים מצאו מעבר חלק בין שני המצבים. פריצת הדרך הניסויית שהובילה לגילוי זה הייתה פיתוח שיטת ספקטרוסקופיה חדשנית המבוססת על מעבר ראמן דו-פוטוני. בפן התיאורטי, החוקרים השתמשו במודל שלוקח בחשבון את הסטטיסטיקה הקוונטית של זיהומים מרובים המצויים בגז והראו שזהו הגורם להתנהגות הנצפית. נקודה מעניינת במיוחד שעולה מניסוי זה היא כי בסמיכות למעבר הפאזה ישנו תחום אינטארציות בו שני סוגי חלקיקים האפקטיביים מתקיימים זה לצד זה.

צפו בגל נס מספר על המחקר כאן.