עורו האלקטרונים

 

כל ילד יכול להחליף את מקומותיהן של שתי קבוצות חרוזים שלכל אחת מהן צבע שונה.  אף אחד לא יכול להחליף את מקומותיהם של הצבעים מבלי לשנות את מיקומי החרוזים, או לשנות את מיקומי החרוזים השאיר את הצבעים מאחור, במקומם הקודם.

 

החרוזים הצבועים במשל הזה הם אלקטרונים. החרוז החומרי, חסר הצבע, הוא תכונה אחת שלהם: המטען החשמלי. הצבעים הם תכונה אחרת: ספין (מעין סחרור), שמתקיימת באחת משתי צורות- סיבוב כלפי מעלה (ספין חיובי), או סיבוב כלפי מטה (ספין שלילי). כמו במשל החרוזים הצבועים, איש אינו יכול להפריד בין שתי התכונות (מטען חשמלי וספין) של האלקטרונים, כאשר האלקטרונים זורמים במוליך דו-ממדי, או תלת-ממדי. אבל, ד"ר עמיר יעקבי ותלמידיו, אופיר אוסלנדר והדר שטיינברג מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, גילו באחרונה שכאשר מאלצים את האלקטרונים לנוע ב"שורה עורפית" לאורכו של מוליך חד-ממדי, אפשר להפריד בין תכונת המטען החשמלי לבין תכונת הספין של האלקטרון. בניסוי שביצעו באחרונה המחישו המדענים, וביצעו הלכה למעשה, את ההפרדה הזאת: הם הצליחו לעורר באלקטרונים ספין מבלי לשנות את תכונת המטען החשמלי שלהם. האפשרות לשנות את תכונת הספין של האלקטרונים מבלי לשנות את המטען החשמלי שלהם היא הצעד הראשון בדרך לפיתוח אלקטרוניקה חדשה, המבוססת על שינויים במצב הספין (האלקטרוניקה הקיימת מבוססת על המטען החשמלי של האלקטרונים). אלקטרוניקה "ספינית" חדשה זו קרויה ספינטרוניקה. המדענים העוסקים בתחום זה, במקומות רבים בעולם, אומרים שהספינטרוניקה עשויה לאפשר את בנייתם של מאגרי זיכרון, מגנטים והתקנים אלקטרוניים שונים, רגישים במיוחד, שיוכלו לבצע מטלות שאינן ניתנות לביצוע באמצעות התקנים אלקטרוניים קיימים.

 

הרעיון שבעולם חד-ממדי אפשר יהיה להפריד בין הספין לבין המטען החשמלי עלה לראשונה בעבודתו התיאורטית של הפיסיקאי האמריקאי יואקים לוטינגר (1996-1923), בשנות ה60- של המאה ה20-. חישוביו של לוטינגר הובילו למסקנה שהמגבלות הגיאומטריות הנכפות על האלקטרונים הנאלצים לנוע במוליך חד-ממדי, יחד עם יחסי הגומלין המתקיימים ביניהם כתוצאה מעירור, עשויים להוביל להפרדה בין הספין לבין המטען החשמלי. הרעיונות התיאורטיים האלה, שזכו לחיזוקים חישוביים במשך השנים, המתינו זמן רב לאפשרות שמישהו יוכיח אותם בניסוי. "המכשול העיקרי היה, ועודנו, הקושי הרב ליצור מוליך חד-ממדי טוב במידה כזאת שיאלץ את האלקטרונים לנוע אך ורק בממד אחד", אומר ד"ר יעקבי.

 

בשנים 1997-1994, כשביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדות "בל" (ארה"ב), התמקד ד"ר יעקבי במציאת דרכים לעקיפת המכשול הזה, ולייצור מוליך חד-ממדי באיכות טובה. יחד עם חתן פרס נובל, הורסט סטומר, והמדענים לורן פפיפר וקן וסט, הוא הצליח לפתח דרך למדוד באמצעים אלקטרוניים את ההולכה בננו-סיבים חד-ממדיים. אבל בניסויים האלה לא היה די כדי למדוד את היכולת לעורר בנפרד ספין ומטען חשמלי. יומה של התגלית הגיע כאשר ד"ר יעקבי ותלמידיו בנו מערכת ניסיונית מתקדמת במעבדתם שבמכון ויצמן למדע. "ניסינו לעורר מערכת באמצעות העברת מטען חשמלי בין שני חוטים חד-ממדיים מקבילים", אומר ד"ר יעקבי, "וגילינו להפתעתנו שעירור הספין התרחש בנפרד מעירור המטען החשמלי". לתיאור התיאורטי שמסביר את תוצאות הניסוי הזה תרמו הפיסיקאי ברטרנד הלפרין ותלמידו, ירוסלב צ'רקובניאק מהרווארד.

 

"העובדה שהצלחנו להפריד בין המטען החשמלי לבין הספין רק במערכת חד-ממדית, מציבה לפנינו לא מעט סימני שאלה", אומר ד"ר יעקבי, "כגון, מה תפקידו של כל גורם במערכת, למשל, הדחייה שבין האלקטרונים, או הטמפרטורה, או גודל המוליך החד-ממדי, ביצירת ההפרדה שבין הספין למטען החשמלי"? שאלה זו, ועוד רבות אחרות, מחכות לחוקרי הספינטרוניקה שתהפוך בשנים הקרובות לאחד משדות המחקר החשובים בחזית המדע.