מכון ויצמן (hayadan) ריקוד האלקטרון

[Robot]

מדעני מכון ויצמן למדע הצליחו לגלות מעברי מופע חדשים במערכת של גרפן ב"זווית הקסם"

ריקוד האלקטרון. מעבדתו של פרופ' שחל אילני, מכון ויצמן

הכל תלוי במשקל, או, כפי שהפיסיקאים אומרים זאת, במאסה האפקטיבית. למשל, כאשר אלקטרונים נעים במערכת "רגילה", הם קלים ואז התנהגותם פשוטה, יחסית. אבל כשהם נעים במערכת שבנויה משני "לוחות" גרפן, המוטים זה לעומת זה בזווית שמכונה "זווית הקסם" – האלקטרונים נעשים "כבדים" (כלומר, המאסה האפקטיבית שלהם גדלה) – ואז מתחוללות תופעות מוזרות. וכידוע בשפת המדענים, "מוזר" הוא מעניין.

פרופ' שחל אילני מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה ביצעו באחרונה כמה ניסויים במערכת של משטחי גרפן ב"זווית הקסם", והשיגו תובנות אחדות על תכונותיהם של אלקטרונים "כבדים" שנעים במערכת כזאת. תגליות אלה מתוארות במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature.

גְרַפֵן הוא סריג דו-ממדי של אטומי פחמן, המוליך חשמל ונקי מזיהומים. תכונות אלה מאפשרות ניידות מצוינת של אלקטרונים ואובדן מינימלי של אנרגיה. מפתחי הגרפן, פרופ' אנדריי גיים מאוניברסיטת מנצ'סטר ופרופ' קונסטנטין נובוסלוב, זכו על תגליתם זו בפרס נובל בפיסיקה לשנת 2010. שנים אחדות לאחר תגלית הגרפן, הציעו מדענים אחרים – ובהם בוגר המכון, ד"ר רפי ביסטריצר – ניבוי תיאורטי, שלפיו במערכת שבנויה משני משטחי גרפן שמונחים בזווית מסוימת זה לעומת זה ("זווית הקסם"), המאסה האפקטיבית של האלקטרונים תגדל דרמטית, דבר שעשוי להתבטא בהיווצרות תופעות כמו-מגנטיות, מוליכות-על ועוד. מחקר זה זיכה את ד"ר ביסטריצר ושותפיו למחקר בפרס וולף לשנת 2020.

ב-2018 הצליחו מדענים מהמכון לטכנולוגיה של מסצ'וסטס, MIT, בהם פבלו חרירו-הררו, לבנות בפועל את מערכת משטחי הגרפן ב"זווית הקסם", ואכן הצליחו לגלות בה תכונה של מוליכות-על (יכולת להעביר זרם חשמלי ללא התנגדות כלל). עבודה זו העלתה שוב אל פני השטח את חידת היווצרותם של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות (יחסית).

בנקודה זו, פחות או יותר, החליטו פרופ' אילני ותלמידי המחקר אורי זונדינר ואסף רוזן במכון, בשיתוף פעולה עם הקבוצה של חרירו-הררו, לבחון את המתחולל במערכת זו. האלקטרונים במערכת נחלקים, לפי תכונותיהם, למעין ארבעה "מחנות". במצב רגיל החלוקה היא, פחות או יותר, אקראית ושוויונית. כלומר, בכל אחד מארבעת ה"מחנות" יש כרבע מכמות האלקטרונים במערכת. אבל בשלב זה החלו המדענים להוסיף אלקטרונים ("נושאי מטען"). בתחילה, גם האלקטרונים הנוספים נחלקו באופן פחות או יותר שווה בין ארבעת ה"מחנות", אבל לאחר שהתוספת עברה "גבול" מסוים, החלו כל האלקטרונים במערכת (הקיימים והנוספים גם יחד) "לנהור" לעבר "מחנה" אחד מסוים. כשה"מחנה" הזה התמלא עד אפס מקום – המחנות האחרים התרוקנו כליל מאלקטרונים ו"נאלצו" להתחיל להתמלא מההתחלה. התהליך הסיזיפי הזה, שבו אלקטרונים ממלאים מחנה, נלקחים למחנה אחר ומתחילים הכל מההתחלה, שונה מאוד מההתנהגויות המוכרות במערכות רגילות. התוצאות הניסיוניות הוסברו על-ידי מודל תיאורטי פשוט, שניסחו הפרופסורים ארז ברג, עדי שטרן, יובל אורג והחוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר רקל קויירוש מהמכון ופרופ' פליקס וון-אופן מאוניברסיטת פריי בברלין. תגליות אלה הן שלב חשוב בדרך להבנת ההתנהגויות המיוחדות שמערכת "זווית הקסם" הראתה. הן יכולות להסביר איך חומר זה הופך למגנטי במעבר מופע וכן את התהליך שבו החומר הופך להיות מוליך-על. "בסוף התהליך הזה", מדווחים המדענים, "האלקטרונים משתי קבוצות שונות יוצרים 'זוגות' (אחד מכל קבוצה) ו'יוצאים במעין מחול'".

הכרת התופעות האלה והבנתן עשויות לסייע למדענים לפתור כמה מהשאלות הגדולות הפתוחות בפיסיקה של חומר מעובה, וכן לקדם פיתוח של מערכות אלקטרוניות מסוג חדש, בעלות תכונות חדשות שאי-אפשר לקבל באף אחת מהמערכות הקיימות כיום.

(מקור: hayadan)