במצבים מסוימים, דווקא כשיורים קרן לייזר על מערכת היא הופכת מוצקה כביכול, וכשמקררים אותה היא חוזרת להתנהג כמו נוזל

בקיץ הישראלי אנחנו מבחינים שוב ושוב בעובדה מדעית חשובה ויישומית: כל עוד קרטיבים נמצאים במקפיא הם מוצקים וקפואים, אבל ברגע שחושפים אותם לאוויר החם בחוץ הם מתחילים להתנזל ולטפטף לנו על הידיים והבגדים. מחקר חדש מראה שיש מערכות שלא מכירות בחוק הזה: דווקא כשמחממים אותן בקרן לייזר הן מתנהגות כמו מוצק, ואילו בקירור הן מידמות לנוזל.

חומר מוצק, ובאופן יותר ספציפי, חומר מוצק גבישי, בנוי מחלקיקים – בדרך כלל אטומים או מולקולות – שמסודרים בצורה מאורגנת וצפופה שמגבילה מאוד את חופש התנועה שלהם. כך, החלקיקים בחומר המוצק זזים מעט מאוד. כשמחממים את החומר, מזינים את החלקיקים באנרגיה שמאפשרת להם לשבור את הסידור הצפוף, להתרחק זה מזה ולנוע בחופשיות רבה יותר במרחב. אם כך, איך יכול להיות שיש מערכת שבה חימום דווקא גורם לחלקיקים להיצמד זה לזה ולהסתדר בצורה גבישית, בשעה שקירור מביא אותם להיפרד לתנועה חופשית יותר שמזכירה נוזל?

חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' באנגליה הכינו מערכת של חלקיקים כדוריים קטנים שקוטרם כחצי מיקרון (מיליונית המטר), וכלאו אותם בדיוק בתפר בין מים לשמן. מטרתם הייתה ללמוד על תנועת החלקיקים בסביבה כזאת בתגובה להארה בקרן לייזר חזקה. הם תיעדו את תנועת החלקיקים במיקרוסקופ עם מצלמה בזמן ההארה ובלעדיה, והופתעו לגלות התנהגות יוצאת דופן.

כשהמערכת לא הוארה בלייזר, החלקיקים נעו בתפר שבין השמן והמים בתנועה אקראית שאופיינית לחלקיקים כאשר הריכוז שלהם לא אחיד ואין כוח מניע שדוחף אותם לכיוון מסוים. לחלקיקים היה חופש תנועה גדול יחסית, שמזכיר את תנועת החלקיקים בנוזל. לעומת זאת, כשהמערכת נחשפה לקרן הלייזר החלקיקים נצמדו זה לזה והסתדרו בצורה גבישית שמגבילה מאוד את תנועתם. במילים אחרות: המערכת "קפאה".

אילוסטרציה של הכוחות הפועלים על החלקיקים בעקבות הפעלת קרן הלייזר | מתוך המאמר, A. Caciagli et al., Phys. Rev. Lett.2020
כשהמערכת נחשפה לקרן הלייזר החלקיקים נצמדו זה לזה והסתדרו בצורה גבישית. אילוסטרציה של הכוחות הפועלים על החלקיקים בעקבות הפעלת קרן הלייזר | מתוך המאמר, A. Caciagli et al., Phys. Rev. Lett.2020

כוח הלייזר

המפתח להבנת ההתנהגות המוזרה הזאת הוא קרן הלייזר. הקרן לא רק מחממת את המערכת, אלא גם מפעילה כוח על חלקיקים שנכנסים לאזור ההארה שלה. במקרה הזה, הכוח שמפעילה אלומת האור כולא חלקיק במרכז הקרן. האפקט הזה, שנקרא מלקחיים אופטיים, אינו חדש או מפתיע. למעשה ארתור אשקין זכה בפרס נובל בפיזיקה בשנת 2018 על פיתוח מלקחי האור.

אז כעת ברור מה גורם לחלקיק אחד להישאר תקוע במקומו. אבל עדיין נחוץ כוח נוסף שיקבץ את החלקיקים הנוספים בצורה מסודרת סביב החלקיק הכלוא וייצור גביש.

הגורם הפעם הוא אכן החימום שיוצרת קרן הלייזר. אלומת האור המרוכזת מעלה את טמפרטורת החלקיק הכלוא בכחמש מעלות צלזיוס, כך שנוצר הפרש טמפרטורה בין החלקיק שבמרכז לסביבתו. בדרך כלל הפרשי טמפרטורה גורמים לחלקיקים המרחפים בנוזל לנוע לכיוון האזור הקר יותר, אבל במערכת שלנו המצב שונה. מאחר שהחלקיקים חופשיים לנוע רק בתפר שבין מים לשמן, תבנית הזרימה קצת יותר מורכבת.

החלקיק החם במרכז נדחף מעט לכיוון השמן, והמים נעים לכיוונו בתפר שבין השמן והמים. הזרמים שנוצרו ממשיכים לדחוף את החלקיקים הסמוכים לכיוון המרכז. כך נאספים החלקיקים ומצטופפים סביב החלקיק הכלוא באלומת הלייזר, ולבסוף מסתדרים בצורה מחזורית שמדמה גביש.

אומנם ההתנהגות יוצאת הדופן מתרחשת בשל הסביבה המורכבת של החלקיקים ובשל קרן הלייזר רבת העוצמה, אבל זו גם דוגמה מעולה לכך שהבנת הסביבה והכוחות הפועלים בה יכולה לאפשר לנו לתמרן אותם כדי ליצור התנהגויות ותכונות שאיננו רואים באופן טבעי.

סרטון המראה את תהליך הניסוי: