עלייתה וירידתה של תנועת ההתנגדות

01.12.2000
 
מימין לשמאל: פרופ' מרדכי הייבלום וד"ר יובל אורג. בין תיאוריה לניסוי
 
 
בשנת 1897 התקיימה באוניברסיטת קימברידג' שבאנגליה מסיבה לכבוד גילויו של חלקיק תת-אטומי חדש: האלקטרון. משתתפי המסיבה הרימו כוסית לכבוד "החלקיק החדש שלא יצלח למאום פרט למחקר מדעי בסיסי". החלקיק "שלא יצלח למאום" הוא כיום הכוח המניע את גלגלי התעשייה, הכלכלה, התקשורת, ובעצם, כמעט שאי-אפשר לתאר את המציאות בלעדיו, והעתיד תלוי בו תלות כמעט מוחלטת. כיצד יפעלו מתקנים אלקטרוניים שינצלו את תכונותיו הגליות של החלקיק הזה? כיצד ישתנו מסלולי התנועה של אלקטרונים בחומרים שונים כתוצאה משינויים פיסיקליים שחלים בהם, דוגמת טמפרטורה ומידת "טוהר החומר"? התשובות על השאלות האלה עשויות לעצב את עתיד הטכנולוגיה, ממש כפי שגילוי האלקטרון עיצב את התרבות האלקטרונית האופפת אותנו כיום.
 
הנה שאלה מעשית שמעסיקה כיום מדענים בכל העולם: כיצד מתנהגים אלקטרונים הנעים בגביש של חומר לא מגנטי (דוגמת נחושת טהורה) הזרוע "איים" או "זיהומים" של חומר מגנטי (למשל, מנגן), המתקרר והולך בהדרגה? ברור שכאשר מקררים את הגביש, האטומים שמהם הוא עשוי מתנודדים פחות, דבר שמפחית את מספר ההתנגשויות של האלקטרונים הנעים בחומר באטומי הגביש - ובפועל מפחית את התנגדות הגביש למעבר הזרם החשמלי. תהליך זה מתחולל עד לטמפרטורה נמוכה מספיק, שמעבר לה, הגורם העיקרי להתנגדות הוא אטומי הזיהום ה"עומדים בדרכם" של האלקטרונים הנעים בחומר.
 
על פי התפיסה הזאת אפשר היה לצפות שהתנגדותו של גביש להולכת זרם חשמלי תפחת עם הפחתת הטמפרטורה, עד שתגיע לגבול קבוע, שייקבע על פי כמות האטומים המזהמים המצויים בגביש המוליך.
 
אבל המציאות, מתברר, לא תמיד מתנהגת לפי מה שמצופה ממנה. במקרה הזה, למשל, ככל שמקררים את החומר, גדל מספר ההתנגשויות בין האלקטרונים הנעים לבין המזהמים המגנטיים, כך שכל קירור נוסף דווקא מגביר את התנגדות החומר להולכת זרם חשמלי. תופעה זו מכונה "אפקט קונדו", על שמו של הפיסיקאי היפאני ג'ון קונדו. מה משמעותה של התופעה הזאת? מה יקרה אם נקרר את החומר עוד ועוד? האם התנגדותו תעלה למידה אין-סופית?
 
ד"ר יובל אורג, שהצטרף באחרונה למחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון, מסביר: "באטום המגנטי המזהם, קליפת האלקטרונים הפנימית אינה מלאה, ולכן האלקטרונים המאכלסים אותה מתאפיינים בספין (תקיפת סחרור או מומנט מגנטי המתבטא במומנט מגנטי כולל של האטום) השונה מאפס - נניח, צפון או דרום".
 

האם אלקטרונים הנעים בחומר יכולים "להצטרף" לקליפה הלא שלמה הזאת?

 
ד"ר אורג: "לא. הצטרפות כזאת תטען את האטום המזהם במטען חשמלי ותעלה את האנרגיה שלו. אבל עקרון אי-הוודאות של הייזנברג מאפשר לאלקטרון הנע, בכל זאת, לשהות במסלולי התנועה של האלקטרונים השייכים לאטום המזהם, לזמן קצר מאוד. מצד שני, עקרון פאולי - הקרוי על שמו של הפיסיקאי וולפגנג פאולי - קובע שכיוון הספין של האלקטרונים הנעים בחומר (ומצטרפים לאטום המזהם לזמן קצר) חייב להיות הפוך לזה של האטומים המזהמים. בזמן הקצר שבו האלקטרון הנע 'מצטרף' לאלקטרונים של האטום המזהם, עשוי האלקטרון ה'אורח' להשתחלף עם אחד מהאלקטרונים של האטום המזהם, דבר שיגרום להיפוך הספין הכולל של האטום המזהם. כך, מסביב לאטום 'המזהם' מתארגן 'ענן' של אלקטרונים 'אופוזיציוניים' שהם בעלי ספין הפוך לשלו. ה'ענן' הזה משנה את אופיו באופן דינמי בכל פעם שבאטום המזהם מתחולל תהליך של היפוך ספין.
 
"ככל שטמפרטורת החומר יורדת, גדל הענן הדינמי של ה'אופוזיציה', ואתו השטח שבו יכול האלקטרון הנע בחומר להתנגש - דבר שמגדיל את מספר ההתנגשויות. לפיכך, מעבר לנקודה מסוימת, שבה ההתנגשויות של האלקטרונים ה'זורמים' באטומים המזהמים הופכות להיות הגורם העיקרי להתנגדות לזרימת הזרם החשמלי, גורם התהליך הזה להגדלת התנגדות החומר למעבר זרם חשמלי. אבל, ברגע שאטום ה'זיהום' מוקף לחלוטין באלקטרונים בעלי ספין הפוך לזה של המומנט המגנטי שלו, כלומר, כשהוא 'מסוכך' ונעשה 'אי מושלם', חסר מומנט מגנטי - התהליך מגיע לסופו, כך שלא תיתכן התנגדות אין-סופית". המדענים המבקשים לזהות את קיומו של מצב כזה משגרים אל תוך החומר המוליך זרם של אלקטרונים, שעל פי תורת הקוואנטים אפשר לראותם גם כגלים. גל האלקטרון הפוגע ב"אי מושלם" יגיב על כך בשינוי המופע (פאזה) שלו. הערכות תיאורטיות משנות השישים הראו באופן קונסיסטנטי, שכאשר אלקטרון הנע במתכות מתנגש ב"אי קונדו מושלם", המופע שלו - בעת רתיעתו - משתנה ב-90 מעלות. מחקרים תיאורטיים חדשים, שד"ר אורג היה שותף להם, יחד עם ד"ר יאן פון דלפט ואחרים, בחנו תופעה כזאת המתחוללת ב"עולם" דו-ממדי הנוצר, למשל, במוליך-למחצה גאליום ארסני, והם אישרו מחדש את ההערכות האלה והציעו להן הסבר. אבל, על אף קיומן של תיאוריות מוסכמות בעניין זה, שינוי הפאזה הזה לא נמדד באופן ישיר מעולם. זאת, עד שבאחרונה הצליחו מדעני המרכז למחקר תת-מיקרוני במכון ויצמן למדע, בראשותו של פרופ' מרדכי הייבלום, לבצע את המדידה המורכבת - שלהפתעת הכל הראתה שגל אלקטרון המתנגש ב"אי קונדו מושלם" נרתע ממנו ומשנה את מופעו בשיעור כפול מהשיעור המחושב: 180 מעלות.
 
המרכז למחקר תת-מיקרוני של מכון ויצמן הוא אחד המקומות היחידים בעולם שבהם קיימים תנאים טכנולוגיים וידע מדעי המאפשרים ביצוע ניסויים מסוג זה. כדי לבצע את הניסוי שיגרו המדענים גל אלקטרונים לעבר מטרה מסוימת, תוך שהם מציבים על דרכו מכשול המפצל את גל-האלקטרון לשניים. על דרכו של אחד ה"פלגים" הציבו "זיהום מגנטי", שבטמפרטורות נמוכות מספיק תיפקד כ"אי קונדו מושלם". כאשר שני ה"פלגים" נפגשו בקו המטרה, הם התאבכו זה עם זה, דבר שאיפשר למדענים להשוות את ה"מופע" שלהם. כך עלה בידם ללמוד על המופע המצטבר של גל האלקטרון שעבר דרך הזיהום (אי קונדו מושלם). כאמור, במקום השינוי המצופה - 90 מעלות נמדד שינוי כפול: 180 מעלות.
 
מה עומד בבסיס אי-ההתאמה שבין התחשיבים התיאורטיים לבין תוצאת הניסוי? האם אי-שם, בנבכי החומר, מסתתר גורם בלתי ידוע נוסף הממתין לגילויו? אלה השאלות שיעסיקו בזמן הקרוב את ד"ר יובל אורג, את פרופ' מרדכי הייבלום ואת עמיתיהם בארץ ובעולם.
 
בצוות שביצע את הניסוי במרכז למחקר תת-מיקרוני, בראשותו של פרופ' מרדכי הייבלום, השתתפו ד"ר ג'י יאנג, ד"ר דיאנה מהלו, ד"ר הדס שטריקמן, ותלמיד המחקר דוד שפרינצק.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם