דיאגרמת פאזה וחותמות ספקטרוסקופיות של סופר-מוצק במגנט איזינג קוונטי K2Co(SeO3)2

העולם המוזר של מוצקים שזורמים

דמיינו חומר שהוא בו־זמנית גבישי קשיח ונוזל חסר חיכוך. המציאות המנוגדת הזאת, הקרויה "סופר-מוצק", מסקרנת פיזיקאים כבר עשורים אך היה קשה מאוד לאשש אותה בחומרים אמיתיים. בעבודה זו מראים החוקרים שמגנט מבוסס קובלט, K2Co(SeO3)2, מתנהג בדיוק בצורה האקזוטית הזאת. על־ידי מיפוי מדוקדק של האופן שבו הספינים — המגנטים האטומיים הקטנים — מסתדרים ומתנודדים בטמפרטורות נמוכות במיוחד ובשדות מגנטיים חזקים, הם חושפים לא אחת אלא שתי פאזות סופר-מוצק נפרדות, ופותחים חלון נגיש ניסויית לצורות המוזרות ביותר של חומר קוונטי.

מגרש משחקים מגנטי שטוח

המפתח לגילוי הזה הוא הגיאומטריה והמתח הגיאומטרי. ב־K2Co(SeO3)2 יוני הקובלט המגנטיים יושבים על שכבות משולשות שטוחות. ברשת כזו, הספינים של שכנים מעדיפים לכוון בכיוונים מנוגדים, אך שלושה ספינים על משולש לא יכולים כולם לקיים רצון זה במקביל. "התסכול" הזה מייצר מספר עצום של סידורים כמעט שקולים, כמו חבילת קלפים מבולגנת שבה דפוסים רבים עולים כמעט באותה אנרגיה. בשדה מגנטי אפס ובטמפרטורה נמוכה, ניסויי פיזור נייטרונים מראים שהספינים בוחרים בתבנית מחזורית עם תא יחידה גדול יותר של שלושה אתרים, ובכך שוברים את הסדירות של הקריסטל. יחד עם זאת, הספינים אינם מתמצקים לחלוטין: גודלו של הרגע הממויין קטן משמעותית, מה שמעיד על תנועתיות קוונטית עזה שמחזיקה את המערכת תלויה בין סדר לאי־סדר.

כשסדר וזרימה קיימים יחד

כדי לבדוק האם המצב הסוער הזה הוא סופר-מוצק, הקבוצה בחנה איך הספינים נעים, לא רק איך הם מסודרים. באמצעות ספקטרוסקופיית נייטרונים מאוד רגישה הם מצאו שהמערכת תומכת בסריגי עוררות מגנטית רחבים במקום בגלים חדים כפי שמצופה במגנט פשוט. בוקטור גל מיוחד הנקבע על־ידי התבנית המשולשת, הם ראו בו־זמנית שתי מרכיבים מפתח: מצב שאנרגייתו שוקעת עד לאפס ומצב אחר עם פער זעיר אך סופי. בלשון הסימטריה, תכונות אלה מצביעות על כך שהמערכת שוברת גם סימטריית סיבוב רציפה של הספין (בדומה לסופר־נוזל שיכול לזרום ללא התנגדות) וגם סימטריית תרגום בדידה (בדומה לקריסטל עם דפוס צפיפות מחזורי). יחד אלה הם הסימנים התאומים של סופר-מוצק בהקשר המגנטי הזה.

מפת פאזה קוונטית בשדה מגנטי

הטלת שדה מגנטי לאורך ציר הספינים הנוח מאפשרת לחוקרים לכוונן את האיזון בין סידורים מתחרים. מדידות קיבול חום ומגנטיזציה על טווח רחב של טמפרטורות ושדות מגנטיים מגלות דיאגרמת פאזה מפורטת. בשדות ממוצעים הספינים מתייצבים לתבנית "מעלה־מעלה־מטה" על כל משולש, מה שמוביל למישור יציב שבו המגנטיזציה ננעלת על שליש מהערך המקסימלי שלה. מעבר פאזה זה מתנהג כפי שחוזים עבור מודל פוטס דו־ממדי ידוע, וכך מאשר שהאינטראקציות הבסיסיות קרובות מאוד למקרה התיאורטי האידיאלי. בשדות נמוכים יותר, הנתונים מראים שהמערכת עוברת בצורה חלקה למשטר הסופר־מוצק בשדה נמוך, שבו אורכי הקורלציה ארוכים אך לא אינסופיים ושוברים למעשה את סימטריית שלושת תת־הרשתות גם בשדה אפס.

סופר־מוצק שני ליד קיטוב מלא

הפתעות אינן נגמרות בשדות גבוהים. כאשר המגנטיזציה מתקרבת לרוויה, מדידות מפורטות של מגנטיזציה ואנטרופיה חושפות פאזה נוספת המקופלת בין המישור שליש לבין המצב המאורגן לגמרי. התאוריה עבור אותו מודל רשת משולשת חוזה שבחלון שדה זה המערכת מארחת שוב סופר־מוצק: הספינים כמעט כולם מיושרים, אך חלק קטן מהם יכול עדיין לזוז באופן קוהרנטי, ויוצר מצב מעורב עם דפוס קשיח ועם זרימה קוונטית. הניסוי מתאים לחיזויים אלה, כולל הקפיצה החדה הדומה למעבר מדרגה ראשונה הצפויה בכניסה לסופר־מוצק בשדה גבוה. באמצעות ניתוח ספקטרום גל־הספין בשלב המישור, הקבוצה גם קובעת את חוזק האינטראקציות ומראה שרק השכנים הקרובים משמעותיים באופן חשוב, מה שהופך את K2Co(SeO3)2 למימוש נקי יוצא דופן של המודל האידיאלי.

מדוע זה חשוב לחומרי קוונטום

עבור לא־מומחה, המסר המרכזי הוא ש־K2Co(SeO3)2 משמשת כמעבדה לחומר שמתנהג באופן שנראה כסותר: מוצק וסופר־נוזל בו־זמנית. במגנט הזה, מיקומי הספינים יוצרים דפוס מחזורי בדומה לאטומים בקריסטל, בעוד התנועה הקוונטית שלהם נשארת מפוזרת וקוהרנטית, כמו בנוזל. השילוב מייצר פאזות סופר־מוצק שאינן רק סקרנות תיאורטית אלא כעת ממופות בפירוט ונבדקות בכלי ספקטרוסקופיים רבי־עוצמה. מכיוון שקני המידה האנרגטיים הרלוונטיים גבוהים בהרבה מהמועמדים הקודמים, חומר זה מאפשר מדידות מדויקות ומבחנים חדים של תיאוריה, מה שהופך אותו למערכת ציון דרך להבנת האופן שבו תהודה קוונטית יכולה לעצב מצבי חומר חדשים לגמרי.

ציטוט: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

מילות מפתח: סופר-מוצק, מגנטיות מתוסכלת, 格ריד משולש, מערכת ספין קוונטית, פיזור נייטרונים