הינך נמצא כאן

קשתות פרמי מכות גלים

19.12.2016

מדעני המכון חקרו את המתכת-למחצה טנטלום ארסני, שאפשר לסווגה באופן טופולוגי, וזיהו בה מצבים כאלה הקרויים "קשתות פרמי", ואת תכונותיהם הייחודיות. 

 מימין: ד"ר נורית אברהם, ד"ר ראג׳יב בטביאל, ד"ר חיים ביידנקופף, נעם מורלי, ופרופ' עדי שטרן. תכונות מוליכות משופרות"אל תסתכל בקנקן אלא במה שיש בו", היא אמירה תלמודית הנובעת מתפיסה הגורסת כי התוכן חשוב מהצורה, או לכל הפחות, המעטפת אינה יכולה להעיד על התוכן. אלא שכידוע, תגליות חדשות עשויות לקעקע תפיסות ישנות, שלא לומר מיושנות. כך, למשל, לפני כעשור התברר שאפשר לסווג, באמצעות טופולוגיה, חומרים מבודדים מסוימים. מדובר בחומרים ייחודיים, שתוכנם הטופולוגי מתבטא על גבי המעטפת שלהם בצורת מצבי שפה אלקטרוניים יוצאי דופן. טופולוגיה היא תחום מחקר במתמטיקה, המאפיין תכונות של גופים המשתמרות עקב עיוות רציף, כגון מתיחה וכיפוף. מנקודת המבט של הטופולוגיה, ספל קפה ובייגל הם שניהם גופים שקולים שיש בהם חור אחד – זה שבידית הספל וזה שבמרכז הבייגל. ברוח זו, אפשר לעוות את הספל כך שייווצר ממנו בייגל, מבלי להזדקק לאיחוי חורים או ליצירת חורים חדשים. לעומת זאת, בלחמנייה אין חורים, ולכן הם נבדלת משניהם מבחינה טופולוגית.

לפני כשלושה עשורים החלו לראשונה פיסיקאים להסתייע בתורת הסיווג הטופולוגי לצורך איפיון טופולוגי של מערכות אלקטרוניות, כגון תופעת הול הקוואנטית ושרשרות ספינים. עבודה חלוצית זו זיכתה את הוגיה בפרס נובל בפיסיקה לשנת 2016. לפני כעשור חלה מהפיכה של ממש, כשתורת הסיווג הטופולוגי שולבה במודל מבנה הפסים, המגדיר תכונות של חומרים גבישיים. תחילה נתגלו המבודדים הטופולוגיים השונים. אופיים הטופולוגי הכתיב קיומם של אלקטרוני מעטפת, הנדמים בתכונותיהם לפוטונים (חלקיקי אור) בהיותם חסרי מאסה ונעים בתנועה יחסותית. כמו פוטונים, אלקטרוני השפה היחודיים אינם יכולים להאט או לעצור, וכפועל יוצא מכך, אינם נסוגים לאחור. לפיכך, הם ניחנים ביכולת ייחודית לחדור דרך מהמורות ופגמים, ולהוליך חשמל תוך איבוד אנרגיה מזערי.

באחרונה הוחל הסיווג הטופולוגי של הגבישים גם על "מתכות-למחצה" (חומרים המצויים על הגבול שבין מבודד למוליך). ד"ר חיים ביידנקופף וחברי קבוצתו – ד"ר רג'יב בטביאל, נועם מוראלי, ומדענית הסגל ד"ר נורית אברהם, יחד עם פרופ' עדי שטרן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, בשיתוף עם ד"ר בינגהאי יאן וקבוצתו ממכון מקס פלנק בגרמניה – יצאו לחקור את מצבי המעטפת המצויים אך ורק על פניהן של מתכות-למחצה טופולוגיות, אשר מכונים "קשתות פרמי". ייחודן של קשתות אלה מתבטא בכך, שהן מגדירות על-פני הדוגמה מצבים אלקטרוניים פתוחים (ומכאן כינויין "קשתות"), בניגוד למצבים הטבעתיים השגורים. אלקטרון אשר נע על-פני השטח לאורך "קשת פרמי", למשל עקב הפעלת שדה מגנטי, יגיע בהכרח לנקודת הקצה ("נקודת וייל"), ולא יוכל להמשיך בתנועתו על-פני המעטפת. בשלב זה מנותב האלקטרון אל עומק החומר, ו"צולל" בתוכו, עד שהוא מגיח מ"נקודת וייל" בעברו השני, שם ממתינה לו "קשת פרמי" אחות, שלאורכה הוא ימשיך לנוע - וחוזר חלילה. אלקטרוני השפה האלה ניחנים בתכונות מוליכות משופרות.

המדענים חקרו את התופעה במתכת-למחצה טנטלום ארסני. לצורך דימות "קשתות פרמי" הם השתמשו במיקרוסקופ מינהור סורק, המבוסס על תופעת המינהור הקוונטי: חלקיק יכול (בהסתברות לא גבוהה) לחדור דרך מחסומים שונים, ולהגיע לצידם השני. המדענים איתרו מיקומים על-פני השטח בהם חסרים אטומי ארסן בודדים בשריג. אלקטרוני השפה מתפזרים מפגמים שריגיים אלו, ובשל תכונותיהם הגליות יוצרים סביבם תמונת התאבכות אלקטרונית, שבה זיהו המדענים את "קשתות פרמי" ואיפיינו את תכונותיהן.

מחקר זה, ומחקרים נוספים שבהם שיתפו מדעני המכון פעולה עם ד"ר בינגהאי יאן, הבשילו, ובחודש ינואר 2017 יצטרף ד"ר יאן לסגל המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, ובכך יהיה למדען הסיני הראשון המצטרף למכון.

ההתנגדות החשמלית של המתכת-למחצה הטופולוגית טנטלום ארסני גדלה בנוכחות שדה מגנטי פי 800. תגובה זו חזקה פי 1,000 מה"מגנטו-התנגדות העצומה", שזיכתה את מגליה בפרס נובל לפיסיקה, ומשמשת לייצור זיכרונות קשיחים.

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם

.