כמו אלקטרון על תיל

האם אלקטרונים, כמו אטומים, יכולים להתארגן במצב צבירה גזי, או  כנוזל, וגם כגביש מסודר, מוצק? זו שאלה שהעלה לראשונה יוג'ין ויגנר, חתן פרס נובל בפיסיקה לשנת 1963, ואשר הייתה פתוחה במשך כ-80 שנה. אלקטרונים הם חלקיקים קוונטיים, שנמצאים בעת ובעונה אחת בכמה מקומות. הם גם בעלי מאסה קטנה מאוד, מה שגורם לכך שהם "מתרוצצים" ללא הרף, כלומר, יש להם אנרגיה קינטית גבוהה. בשל שתי התכונות האלה, הטילו מדענים רבים ספק ביכולתם של אלקטרונים  לקיים ביניהם יחסי גומלין (אינטראקציה) משמעותיים, הנחוצים לצורך התארגנות במבנה מסודר וקבוע, במעין "מוצק קוונטי".

מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, ניסו במשך שנים למדוד, להבחין ולזהות מבנה כזה של אלקטרונים, בתוך גוש חומר כזה או אחר – אך הדבר לא עלה בידם. זה היה מצב העניינים עד שפרופ' שחל אילני ותלמידי המחקר אילנית שפיר ואסף חמו, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, פיתחו מערכת ניסוי ומדידה חדשנית – שאִפשרה להם, לראשונה, למדוד ולהראות את קיומו של "מוצק קוונטי": מבנה מאורגן ומסודר של אלקטרונים, המסתתר בתוך גביש מוצק שמורכב מאטומים. מדידה ראשונית זו מתוארת במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Science.

"אלקטרונים הם חלקיקים  קוונטיים, שנמצאים בעת ובעונה אחת בכמה מקומות. הם גם בעלי מאסה קטנה מאוד, מה שגורם לכך שהם 'מתרוצצים' ללא הרף. בשל שתי תכונות  אלה, הטילו מדענים רבים ספק ביכולתם לקיים ביניהם יחסי גומלין משמעותיים, הנחוצים לצורך התארגנות במבנה מסודר וקבוע, במעין 'מוצק קוונטי'" 

התכונות הקוונטיות של האלקטרונים מקשות מאוד על מי שמבקש למדוד ולמפות אותם (שכן, כידוע, בעולם הקוונטי "הצופה משפיע על התוצאה"). כיצד, אם כן, אפשר למדוד ולמפות את מיקומיהם של האלקטרונים המצויים בדוגמת חומר כזו או אחרת?

כדי להתמודד עם האתגר הזה, פיתחו פרופ' אילני וחברי קבוצתו את החישן הרגיש ביותר בעולם לשדה חשמלי – המסוגל לחוש ולזהות שדה חשמלי של אלקטרון יחיד. החישן המקורי הזה בנוי מננו-חוט, ה"מרחף" מעל לדוגמת החומר הנמדד, וחש בשדות החשמליים הזעירים של האלקטרונים המצויים בה.

גם דוגמת החומר שנמדד בניסוי הייתה, למעשה, ננו-חוט שאלקטרונים התארגנו לאורכו במרווחים שווים ("כמו ציפורים על תיל"). השילוב המקורי של דוגמת חומר נבדק, שהיא ננו-חוט, וחישן רגיש במיוחד, שגם הוא בנוי מננו-חוט, אִפשר, לראשונה, להבחין – מבעד ל"ריקוד הקוונטי" המתמיד של האלקטרונים, ובהתעלם מהתזזית שבה הם נתונים בשל מאסתם הקטנה – במבנה מסודר של אלקטרונים, כלומר, במוצק של אלקטרונים המוטמע בחומר הממופה