מדעני מכון ויצמן למדע צפו לראשונה באלקטרונים הזורמים בתצורה של "נוזל אלקטרוני"

מה יותר טבעי ממים שזורמים בנחל? טבעי, אבל לא פשוט. "כל הנחלים הולכים אל הים" (קהלת, א'). אבל האם אלקטרונים שנעים במוליך מוצק יכולים לקיים ביניהם קשרי גומלין (אינטראקציות) בדומה לאלה שמאפיינים חומר במצב צבירה נוזל? זו שאלה שהפיסיקאים בוחנים שנים רבות. תיאוריות אחדות פותחו בתחום, ובכמה מדידות מתוחכמות, הצליחו המדענים לתמוך בחלקן. אבל במאמר שמתפרסם בימים אלה בכתב-העת המדעי Nature, מדווחים פרופ' שחל אילני, מדען הסגל ד”ר ג'ואי סולפיציו, תלמיד המחקר (אז) ד”ר ליאור אלה ותלמיד המחקר אסף רוזן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, כי הצליחו – לראשונה בעולם – לראות ישירות אלקטרונים הזורמים כנוזל.

אלקטרונים הם החלקיקים שאחראיים על זרימת החשמל ופעולתם של כל מכשירי האלקטרוניקה המודרנית, כגון טלפונים סלולריים, מחשבים וטלוויזיות. במכשירים אלה "מתרוצצים" וזורמים אלקטרונים ללא הרף, וניתובם למסלולים המשתנים במהירות, מאפשר את פעולתם של מכשירי החשמל המשמשים אותנו בחיי היום-יום. אבל, עד היום בכל האלקטרוניקה המודרנית, אלקטרונים מצויים במצב שדומה מאוד למצבם של אטומים ומולקולות במצב צבירה גזי. ב"גז של אלקטרונים", כל אלקטרון עושה "כראות עיניו", וזורם דרך המוליך תוך שהוא מתנגש בקירות ובמכשולים מבלי להבחין בקיומם של האלקטרונים האחרים.

השאלה שבחנו מדעני המכון היא, האם אלקטרונים יכולים להתנהג באופן שונה לחלוטין – כנוזל ולא כגז. בנוזל, בניגוד לגז, ישנם יחסי גומלין (אינטראקציות) משמעותיים בין החלקיקים הבסיסיים. יחסי גומלין אלה גורמים לכך שהאלקטרונים יחדלו מלהתנהג באופן יחידני, ויפעלו באופן דומה יותר לקבוצה, או קולקטיב. לקבוצה, לפחות ככל שזה נוגע לזרימה, יש בדרך כלל יתרון – שמאפשר לה לעבור מכשולים בדרך מתואמת ויעילה יותר, ובכך לשפר את יכולות ההולכה. כדי שחלקיקים יתנהגו כקבוצה, חשוב שיחסי הגומלין ביניהם יהיו יותר משמעותיים מאלה שהם מקיימים עם מכשולים אחרים. דבר זה קורה באופן טבעי למולקולות מים הזורמות בצינור, כיוון שהן נתקלות בעיקר זו בזו, ופחות בדופנות הצינור. אבל בשביל אלקטרונים הזורמים במוליך מוצק, דרך  הפעולה הזאת מאתגרת במיוחד. מוצק, לעולם אינו מושלם, ולכן ברוב המוליכים המוצקים הקיימים, אלקטרונים מתנגשים תכופות במכשולים ("אטומים סוררים") ואינם יכולים לקיים את יחסי הגומלין הנדרשים כדי שיתנהגו כקבוצה. כך חוזרת ועולה השאלה: האם אפשר לגרום לאלקטרונים במוצק לזרום כנוזל?

פרופ' אילני וחברי קבוצתו שיתפו באתגר הזה פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ' אנדריי גיים מאוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה. פרופ' גיים זכה בפרס נובל בפיסיקה לשנת 2010 על פיתוח החומר גרפן (יריעה דו-ממדית וחד-שכבתית של אטומי פחמן, המסודרים ברשת של משושים). חומר זה ידוע כאחד החומרים הטהורים בטבע. כלומר, שלא כמו בגבישים של חומרים מוליכים אחרים, המכילים "זיהומים" שונים, יריעת הגרפן מכילה כמעט באופן מושלם אך ורק אטומי פחמן, המאורגנים בסדר קבוע, ללא הפרעות.

"ב'גז של אלקטרונים', כל אלקטרון עושה 'כראות עיניו', וזורם דרך המוליך תוך שהוא מתנגש בקירות ובמכשולים מבלי להבחין בקיומם של אלקטרונים אחרים. בנוזל, בניגוד לגז, ישנם יחסי גומלין משמעותיים המביאים לכך שהאלקטרונים יחדלו מלהתנהג באופן יחידני, ויפעלו באופן דומה יותר לקולקטיב"

חברי קבוצת המחקר של פרופ' אילני במכון ויצמן למדע השתמשו בגרפן כבמוליך שבו בחנו את תצורת הזרימה של האלקטרונים. מדידות זרימה פשוטות שהתבצעו בחומר זה במנצ'סטר, הראו כבר כמה התנהגויות חריגות שרמזו על כך שאלקטרונים עשויים, בתנאים מסוימים, להתנהג כנוזל; אבל לא היה חיזוק ישיר לכך שזה אכן המצב. כדי "לראות" את זרימת האלקטרונים ישירות, פיתחה קבוצתו של פרופ' אילני מערכת ניסוי ומדידה חדשנית שמשתמשת בננו-חוט פחמני כב"גשושית" הרגישה ביותר בעולם, למדידת שדות חשמליים. ה"גשושית" מרחפת ונעה מעל לחומר המוליך, ומצליחה לקלוט, מבלי לגעת בחומר, את השדות החשמליים החלשים מאוד, של האלקטרונים הבודדים. בדרך זו הצליחו המדענים לחשוף ולגלות את המבנה שבו מתארגנים האלקטרונים בעת שהם זורמים דרך המוליך. בעוד שבטמפרטורות נמוכות (כ-7.5 מעלות קלווין) נצפתה התנהגות בליסטית של האלקטרונים, כשהחומר חומם ל-75 מעלות קלווין, יחסי הגומלין בין האלקטרונים הפכו להיות משמעותיים, והמדענים הצליחו לצפות בתמונות הראשונות של אלקטרונים הזורמים כנוזל.

בשיתוף פעולה עם פרופ' עדי שטרן, ד"ר טוביאס הולדר וד"ר רקל קוירוז ממכון ויצמן למדע, ועם ד"ר תומס סקפידי מאוניברסיטת ברקלי, הצליחו המדענים להגיע לתיאור תאורטי כולל של המערכת ולהסביר באלו תנאים אפשר לצפות שהאלקטרונים יזרמו כנוזל.

המדענים אומרים, שאלקטרונים הנעים בחומר מוליך בתצורה הדומה לזו של נוזל, עשויים לעבור מחסומים ולהתגבר על מכשולים שאלקטרונים הנעים בתצורה הרגילה והמוכרת (הדומה לזו של גז), אינם יכולים לעבור. לפיכך הממצאים האלה (ובמיוחד אם תימצא דרך ליצור את תצורת הזרימה ה"נוזלית" של האלקטרונים בטמפרטורת החדר), עשויים להוביל לפיתוח התקנים אלקטרוניים מסוג חדש, שיתאפיינו ביעילות רבה, במידה משמעותית, בהשוואה להתקנים הקיימים כיום.