מקרה קצה

הביטוי "על הקצה" מקבל משמעות חדשה כאשר מדובר בניסויים במצבים קוונטיים של החומר. מדעני מכון ויצמן למדע חקרו אלקטרונים הנעים סביב קצותיה של מערכת ייחודית. מדידותיהם – המדויקות והרגישות שנערכו אי פעם – חשפו פרטים חדשים על התנהגות אלקטרונים ברמה הקוונטית. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature.

המדענים, ממעבדתו של פרופ' אלי זלדוב מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון, ערכו את הניסויים יחד עם חברי קבוצת המחקר של פרופ' אנדריי גיים מאוניברסיטת מנצ'סטר. פרופ' גיים הוא אחד מממציאי הגְרַפֵן – סריג דו-ממדי של אטומי פחמן – הישג שזיכה אותו ואת שותפו, פרופ' קונסטנטין נובוסלוב, בפרס הנובל בפיסיקה לשנת 2010. לגרפן חשיבות מרכזית בחקר אפקט הול הקוונטי, בשל העובדה שנוסף על כך שהוא מוליך חשמל, הוא גם נקי מזיהומים – מה שמאפשר ניידות אלקטרונים מצוינת, לצד אובדן אנרגיה נמוך.

פרופ' זלדוב וקבוצת המחקר ערכו את המדידות בעזרת מערכת ייחודית שפותחה במעבדה, על בסיס התקנים מוליכי-על להתאבכות קוונטית (SQUID). המערכת הזעירה מורכבת על מחט קוורץ דקיקה המצופה במוליכי-על, עם טבעת קטנטנה בקצה הסורקת את תכונות החומר סמוך מאוד לפני השטח, כדי להציג תופעות שונות בסקאלת הננו.

בניסוי קודם שנערך בשיתוף עם הקבוצה של פרופ' גיים, בשכבות גרפן שקוררו לטמפרטורות נמוכות מאוד, הראו המדענים כי המערכת הניסויית שלהם כה רגישה, עד שהיא מסוגלת למדוד את הזעיר שבאותות התרמיים: חום שמשחררים אלקטרונים בזרימתם כתוצאה מ"תאונות דרכים" – התנגשות בפגמים אטומיים בודדים בחומר שדרכו הם זורמים, ו"פיזור אחורי" מכיוונם המקורי. מחקר זה אפשר לחוקרים להציג כל פגם אטומי בחומר הגורם אובדן אנרגיה.

במחקר הנוכחי, לקחו החוקרים צעד נוסף קדימה, והשתמשו במערכת הגרפן כדי ליצור מערכת הול קוונטית. במערכת כזו, אלקטרונים נעים במישור דו-ממדי המקורר לטמפרטורה נמוכה מאוד ונחשף לשדה מגנטי חזק. מערכת ניסויית זו, שהודגמה לראשונה ב-1980, הובילה לתגליות רבות על אודות טבעה הבסיסי של התנהגות חלקיקים במערכות קוונטיות "מוגנות טופולוגית". בתגליות אלה, מסביר פרופ' זלדוב, התבררה חשיבותם של שולי המערכת, שכן במצב זה האלקטרונים נעים בלולאה לאורך הקצוות; מה שנמצא בין הקצוות משמש מבודד, המפריד בין הצדדים ו"מגן" על האלקטרונים מפני "איבוד מסלולם".

דפוסי איבוד האנרגיה שנמצאו בניסוי הקודם לא הכינו את המדענים לתוצאות הניסוי החדש. הם ציפו לקבל אישור לתיאוריות המתארות מתי ואיך יכולות מערכות הול קוונטיות לאבד אנרגיה. בפועל, הבחינו החוקרים בבזבוז אנרגיה במקומות שבהם היא לא הייתה אמורה להתבזבז – ולא מצאו אובדן אנרגיה היכן שציפו לאובדן.

לדוגמה, הם ציפו שהמערכת תפעל כמוליך אידיאלי – כזה שאינו מאפשר איבוד אנרגיה בקצוות, אך מפת החום שהתקבלה הראתה כמות לא מבוטלת של איבוד אנרגיה. האם מדידות אלה הפריכו בדרך כלשהי את חוקי איבוד האנרגיה באלקטרונים במערכות הול קוונטיות?

הגרפן בניסויים היה נתון בין שכבות מבודדות עם סיליקון מתחתיו, לצורך שליטה בצפיפות האלקטרונים, ומחט ה- SQUID ממעל. לבד מתיעוד, מחט זו יכולה גם לשמש לצורך "כוונון" תנאי הניסוי: למשל, להוספה או להסרה של אלקטרונים, או לצורך שינוי צורת הקצוות האפקטיבית – כלומר, האופן שבו האלקטרונים "רואים" אותה. תפעול המחט אִפשר לחוקרים ליצור שתי מפות שונות – האחת של אובדן אנרגיה והשנייה של התנגדות – ולגלות חפיפה בין שתי התופעות, אם כי לא באופן מוחלט ולא בכל התנאים. דבר זה הביא לגילוי תופעה מוזרה נוספת: במקום לולאה אחת של אלקטרונים, שנעים עם כיוון השעון לאורך קצות הגרפן, החוקרים גילו שלוש לולאות – שתיים בכיוון השעון, והשלישית, בסמוך אליהן, נגד כיוון השעון.

"הצלחנו לראות זאת מכיוון שרזולוציית המידע המקומי והמרחבי שמספקת שיטת ההדמיה התרמית שלנו היא ברמת הננו, והיא פי כמה אלפים רגישה יותר מכל שיטה אחרת", אומר פרופ' זלדוב. "במדידות גלובליות שנעשו עד כה, התרומות ההפוכות של הלולאות עם ונגד כיוון השעון קיזזו זו את זו, ולכן נראה שמתקיימת כביכול לולאה אחת במקום שלוש". קיומן של כמה לולאות הזורמות בכיוונים מנוגדים הוא הגורם לבזבוז אנרגיה. "האלקטרונים הם כמו קרונות רכבת במסלול חד-כיווני", מסביר פרופ' זלדוב. "הם יכולים 'לקפוץ' לאחד המסלולים השכנים – כולל זה שכיוונו הפוך – תוך שהם מאבדים אנרגיה".

"זו הפעם הראשונה שמישהו הצליח לפענח מרחבית תהליך כזה במצב הול הקוונטי בחומר כלשהו ולגלות את המנגנון המיקרוסקופי המוביל לאיבוד אנרגיה", הוא מוסיף. ובעוד שצוות המחקר הראה כי הממצאים אינם מפריכים את התיאוריות הבסיסיות של איבוד אנרגיה במצבי הול קוונטיים, הוא הניח את היסודות – התיאורטיים וכן הניסויים – לתגליות חדשות בתחום.

במחקר השתתפו גם ד"ר ארתור מרגוריטה, עמית אהרון-שטיינברג, ד"ר דורי הלברטל, ד"ר קוסיק בגני, עידו מרקוס וד"ר יורי מיאסויידוב מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע; וג'ון בירקבק ופרופ' דיוויד פרלו מאוניברסיטת מנצ'סטר