צר כעולם נמלה

 

 

על שלושה ממדים המרחב עומד, ועל שלושה סוגי חומרים מבוססת האלקטרוניקה: על המבודדים, על המוליכים, ועל המוליכים-למחצה (שבתנאים מסוימים הם מוליכים זרם חשמלי ובתנאים אחרים הם מבודדים). מה הקשר בין שתי השלישיות האלה? ובכן, במשך זמן רב סברו הפיסיקאים שתכונת המוליכות יכולה להתקיים אך ורק בשלושה ממדים. כלומר, במערכת הכוללת פחות משלושה ממדים (למשל, מערכת דו-ממדית), תכונת המוליכות תחדל מלהתקיים כאשר הטמפרטורה תרד עד לאפס המוחלט.

 

הסיבה שהובילה לתפיסה הזאת היתה בעיקר העובדה שאלקטרונים, שהם כידוע גם גלים, מתאבכים במהלך תנועתם. בשלושה ממדים, כאשר מידת אי-הסדר לא גדולה מדי, מספר מסלולי ההתאבכות האפשריים הוא גדול עד כדי כך שייתכנו התאבכויות "בונות" שיאפשרו לאלקטרון להגיע למקומות רחוקים ממקומו ההתחלתי, דבר שמשמעותו היא, למעשה, תנועה של אלקטרונים: מוליכות. לעומת זאת, במערכות בעלות שני ממדים, או ממד אחד, מספרם של מסלולי ההתאבכות קטן בהרבה, כך שבמרחקים גדולים ההתאבכות תמיד הורסת. משמעות התופעה הזאת היא, שאלקטרון שנכנס בקצה אחד של המערכת, כמעט שלא יוכל להגיע עד לקצה השני (הוא ייבלם בדרך כתוצאה מהתאבכות הורסת).

 

כאן נכנסו לתמונה ד"ר עמיר יעקובי מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה. הם ביקשו לבחון את נכונותה של התפיסה המקובלת, ולשם כך פיתחו שיטה למדידת האופן שבו מסתדרים האלקטרונים בשכבה דו-ממדית. הם פיתחו מיקרוסקופ הרגיש במיוחד למטען חשמלי. הודות לתכונתו זו אפשר להשתמש במיקרוסקופ הזה לצורך מיפוי מיקומם המדויק של האלקטרונים בשכבה דו-ממדית של חומר, ואת השטח שעל פניו כל אחד מהם פרוס. תלמיד המחקר שחל אילני, המוביל את המחקר הזה: "אחד הממצאים החשובים הוא, שבצפיפות נמוכה האלקטרונים המצויים בחומר דו-ממדי ממוקמים במעין 'איים יציבים', ולכן, כאשר מוסיפים אלקטרון למערכת הזאת, הוא יצטרף לאחד מה'איים' האלה ולא ייצא מהצד השני של גוש החומר. במילים אחרות: לא תתקיים מוליכות חשמלית".

 

אבל בסדרת ניסויים נוספת הצליח שחל אילני להראות, שכאשר מוסיפים למערכת כזאת כמות גדלה והולכת של אלקטרונים, הדבר גורם להתרחבות שטחיהם של ה"איים", עד שבאופן מעשי האלקטרונים שנוספים למערכת יכולים לנוע באופן כמעט חופשי על רוב שטח המערכת, עד שהם מגיעים לצדה השני ונפלטים ממנה. תופעה זו, הנראית כמעין מוליכות, עדיין אינה מובנת כל צורכה.

 

המערכת שפיתח ד"ר יעקובי מאפשרת, בפעם הראשונה, לצפות בשינויים המיקרו- סקופיים המתחוללים בשלבי המעבר של המערכת ממצב מבודד למצב "מוליך" ובחזרה. באמצעות המערכת הניסויית הזאת הוא מתכוון להמשיך לבחון את התופעה בעתיד.

 

במחקר נוסף החליט ד"ר יעקובי לבחון את התופעה במערכת מצומצמת עוד יותר: מערכת חד-ממדית. במערכת כזאת הדחייה החשמלית ההדדית גורמת לכך שהאלקטרונים יתנהגו ככדורים קשיחים המסודרים "בשורה עורפית" בזה אחר זה, כשאין להם כל אפשרות לסטות ימינה או שמאלה, למעלה או למטה. כאשר מוסיפים אלקטרון למערכת כזאת, הוא מצטרף כאחרון בשורה, אבל התנע שלו עובר ונמסר מאלקטרון לאלקטרון, עד שהוא מגיע לראשון בשורה, הנפלט כתוצאה מכך מהמערכת. קצב העברת התנע בין האלקטרונים נקבע על-ידי עוצמת הדחייה החשמלית ביניהם, כך שככל שהדחייה גדולה יותר, התנע יעבור מהר יותר.

 

עד כאן התיאוריה. אבל במציאות, התופעה הזאת תלויה במספר גורמים. זיהום קל ביותר בנקודה אחת עלול למנוע את העברת התנע בין האלקטרונים (כידוע, החוליה החלשה ביותר בשרשרת היא הקובעת את חוזקה של השרשת כולה). כדי לבחון את השפעותיהן של התכונות האלה על התחוללותה או אי-התחוללותה של המוליכות במערכות חד-ממדיות, בנה תלמיד המחקר אופיר אוסלנדר, גם הוא מקבוצת המחקר שמוביל ד"ר יעקובי, מערכת ניסויית ייחודית הבנויה על שתי מערכות כאלה - שני "חוטים" של אלקטרונים - הממוקמים בקרבה רבה מאוד זה לזה. בשל הקרבה הרבה מתקיימת בין ה"חוטים" תופעה קוואנטית המכונה "מינהור", המתבטאת ב"יציאה" של אלקטרונים "אל מחוץ לחומר שהם שייכים אליו". במקרה זה עשויים אלקטרונים "לקפוץ" מעולם (חוט) חד-ממדי אחד לעולם חד-ממדי אחר. בדרך זו עשוי "עולם חוט" אחד להעיד על מה שמתחולל ב"עולם חוט" אחר. כך הצליח אופיר אוסלנדר למדוד בדייקנות רבה את קצב העברת התנע במערכת החד-ממדית, ומכך ללמוד על הקשר שבין עוצמת הדחייה החשמלית ההדדית שפועלת בין האלקטרונים לבין השינויים במהירות העברת התנע ביניהם.