סיבה ומסובב

היילכו שניים יחדיו בלתי אם נועדו? הנביא עמוס סבר, שאין בעולמנו מקרים, ושהכל מתנהל במערכת של סיבה ומסובב. במדע, לעומת זאת, המצב אינו כה חד וחלק: לעיתים ידועה הסיבה, כלומר יש תחזית כלשהי, אבל קשה לגלות, או למדוד, את התוצאה ש"צריכה להיות שם", ולעיתים המדענים רואים תופעה, אבל אינם מבינים את פשרה ואת גורמיה. אלה שתי נקודות נפוצות לתחילתם של מחקרים מדעיים, אשר מתנהלים ב"כיוונים מנוגדים", במטרה להשלים את שני אגפי המשוואה: סיבה ומסובב, או גורם ותופעה.

תופעה כזו, שהסיבה, או הגורמים לה, עדיין אינם מובנים, התגלתה באחרונה באחד ממחקריהם של פרופ' מוטי הייבלום מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, במרכז למחקר תת-מיקרוני. הניסוי התבצע במערכת של תופעת הול הקוונטית. מדובר במערכת אלקטרונים דו-ממדית (משטח), הנתונה להשפעה של שדה מגנטי חזק. כאשר מזרימים אלקטרונים במערכת זו, כל אלקטרון בודד "שואף" להמשיך לנוע ישר – אבל השדה המגנטי הפועל על המערכת מטה את מסלולו, כך שהאלקטרונים נעים לאורך שפת המערכת.

תופעה ידועה אחרת קשורה לתכונותיהם של אלקטרונים. חלקיקים אלה, הנושאים מטען חשמלי שלילי, דוחים זה את זה. אבל בתנאים מסוימים מאוד, ובטמפרטורות נמוכות, מתחוללת תופעה ייחודית: שני אלקטרונים דווקא נעשים "שזורים" זה בזה ("צמדי קופר"). כלומר, בין שני האלקטרונים קיימת תלות הדדית מובהקת, גם אם הם מרוחקים פיסית זה מזה. "צמדי קופר" הם האחראים להופעת תכונה של מוליכות-על בחומרים שונים (תופעה המתבטאת בכך, שלחומר אין כל התנגדות לזרימה של זרם חשמלי דרכו, כך שהזרם יכול לזרום ללא הרף, ללא הפסדים).

מסלולי תנועה מקבילים

פרופ' הייבלום וחברי קבוצתו גילו באחרונה קשר לא צפוי בין שתי תופעות אלה. בניסוי, שנועד למטרה אחרת לחלוטין, הם הבחינו בכך שבמערכת של תופעת הול הקוונטית נוצרים בתנאים מסוימים צמדי אלקטרונים, הדומים ל"צמדי קופר". זו הפעם הראשונה שתופעה זו נצפתה, והמדענים אינם יודעים בשלב זה מה גורם להיווצרותה.

למעשה, הטיה זו של מסלולי האלקטרונים במערכת של תופעת הול הקוונטית, אשר גורמת לאלקטרונים לזרום מסביב לשפת המערכת, יוצרת מסלולי תנועה מקבילים, הנבדלים זה מזה במרחקם מהשפה. הקירבה בין שני זרמים הנעים במסלולים מקבילים גורמת לכך שאלקטרונים בשני הזרמים "יחושו" זה את זה, ויקיימו ביניהם יחסי גומלין מסוימים.

באופן מפתיע, ובלתי-מוסבר עד כה, ביציאה מהמערכת (במסלול החיצוני בלבד) נמדדו חלקיקים בעלי מטען חשמלי השווה לפי שניים ממטענו החשמלי של אלקטרון בודד. במילים אחרות, נמדדו והתגלו מבנים המורכבים מצמדים של אלקטרונים, ממש כמו אלה המכונים "צמדי קופר" (אשר עומדים בבסיס תופעת מוליכות-העל).

תופעה זו לא הייתה צפויה, והיא עדיין אינה מובנת. זה אולי המקום לחזור לשאלתו של הנביא עמוס: היילכו שניים יחדיו בלתי אם נועדו? היות שהתשובה גלומה למעשה בשאלה (כלומר, אם הם הולכים יחדיו, משמע שהם נועדו), עולה שאלה אחרת: מה גורם להיווצרות צמדי האלקטרונים? מדוע הם "הולכים יחד"? כיצד הם משפיעים על המערכות שהם מתקיימים בהן? המדענים מקווים, שמחקרים נוספים שהם מתכננים לבצע בקרוב במכון ויצמן למדע, וכן מחקרים של מדענים במקומות נוספים בעולם, יסייעו בפתרון התעלומה.