המסע אל הקוטב

בעוד שאין קושי משמעותי להפריד בין מטען חשמלי חיובי למטען שלילי, אי אפשר להפריד בטבע בין שני הקטבים של מגנט. עם זאת, מדעני מכון ויצמן למדע הצליחו ליצור ולמדוד במדויק מעין "מונופול מגנטי" (מגנט חד-קוטבי). הממצאים שהתפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, מגלים פרטים חדשים ומפתיעים על היווצרות זרמים חשמליים ושדות מגנטיים ספונטניים בחומרים טופולוגיים.

בסדרת ניסויים, השתמשו תלמיד המחקר אבירם אורי, ד"ר סמיר גרובר וחוקרים נוספים בקבוצת המחקר של פרופ' אלי זלדוב במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, ב"חומר טופולוגי" – חומר אשר, בכל דרך שבה הוא מעוצב, חתוך או צרוב, לעולם יהיה מבודד "מבפנים" ומוליך "מבחוץ". בתיאוריה, חומרים טופולוגיים אמורים להוסיף תפנית מפתיעה לתופעה המוכרת ממתכות רגילות: כאשר מציבים מטען חשמלי נמוך מעל פני השטח של מתכת, ענן חלקיקים בעלי מטען מנוגד יתאסף מתחת לפני השטח. במתכות, שני המטענים הינם חשמליים, אך תכונותיהם הייחודיות של חומרים טופולוגיים מסוימים עשויות, על-פי התיאוריה, לגרום במקרה זה תגובה המחקה מונופול מגנטי, ולא חשמלי, הנוצר סמוך לפני השטח. "חרף ניסיונות רבים, תגובה זו לא התגלתה בניסויים", אומר פרופ' זלדוב, "מכיוון שלא הייתה דרך למדוד השפעות בקנה מידה כה זעיר".

אבל לפרופ' זלדוב יש דרך למדוד השפעה כזו: מערכת שפותחה במעבדתו – "התקן התאבכות קוונטית של מוליכי-על בקצה חוד" המכונה SQUID-on-tip או SOT – היא מגנטומטר רגיש במיוחד בעל רזולוציה ננומטרית. כדי למדוד את האפקט המדובר השתמשו חברי צוות המחקר ב"טריק": הם הציבו את המטען החשמלי על קצה החוד ומדדו את התגובה המגנטית הזעירה באמצעות אותה המערכת.

אף שהן נובאו כבר לפני 30 שנה, עד כה, במרבית המקרים, התעלמו מתופעות אלה. כעת, לאור הניסויים שלנו, ייתכן שפיסיקאים העוסקים במצבים טופולוגיים יהיו צריכים להביא בחשבון תמונה מורכבת יותר של השפעות קוונטיות אלה"

בשיתוף פעולה עם ד"ר יאנגווק קים ופרופ' יורגן סמט ממכון מקס פלנק לחקר מצב מוצק בשטוטגרט, גרמניה, הפעילו החוקרים שדה מגנטי חיצוני גדול על גרפן – יריעה דו-ממדית של אטומי פחמן – וכך גרמו לאפקט הול קוונטי, אשר הפך את הגרפן לחומר טופולוגי מסוג מסוים. ואז, באמצעות מערכת SOT, גילו שהם אכן יכולים ליצור ולמדוד 'תמונת מראה' מגנטית בתגובה למטען חשמלי בסמוך למשטח הגרפן. בדומה לתעתוע המטען החשמלי המנוגד, מקורה של התופעה המגנטית שהם קיבלו הוא באלקטרונים שבתוך החומר, אך היא התנהגה כמו "הדבר האמיתי". "הדגמנו ששתי תופעות – חשמל ומגנטיות – שבדרך כלל אינן מחוברות בדרך זו, מצטלבות בחומרים טופולוגיים", אומר פרופ' זלדוב.

כיצד זה קורה? כדי להבין את התצפית המחקרית, יש להבין תופעה מסוימת באפקט הול הקוונטי: אפשר להעביר חומר בין מצבים מבודדים טופולוגית ומצבים מתכתיים באמצעות שינוי הצפיפות של האלקטרונים. במצב הטופולוגי של הגרפן, האלקטרונים זורמים לאורך השוליים, והחוקרים גילו שזרמים אלה קיימים גם ללא שדה חשמלי חיצוני, והם נעים ללא הגבלת זמן ומבלי לאבד אנרגיה. ניסויים אלה חשפו דבר שתחילה, היה בגדר הפתעה: "במצב הול הקוונטי, צפוי שהזרמים יהיו כיראליים – כלומר ינועו בכיוון אחד ובמספר ערוצים מקבילים לאורך הקצוות" אומר פרופ' זלדוב. "אך אנו מצאנו בכל ערוץ זוג זרמים המתפשטים בכיוונים מנוגדים זה לצד זה ונובעים ממקורות שונים – אחד טופולוגי והאחר לא טופולוגי".

ניתוח תיאורטי נרחב של תוצאות אלה, בשיתוף פעולה עם ד"ר סיפריאן לוונדובסקי מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), שופך אור חדש על חידה זו. במצב הטופולוגי, הזרמים נעים כך שתנועות האלקטרונים מייצרות תגובה בצורת "מונופול מגנטי" מתחת לפני השטח. אך במצב הלא-טופולוגי (המתכתי), הזרמים נעים בכיוון ההפוך, ויוצרים שדה מגנטי מנוגד שמחקה מגנט דו-קוטבי.

"אף שהן נובאו כבר לפני 30 שנה", אומר פרופ' זלדוב, "עד כה, במרבית המקרים, התעלמו מתופעות אלה. כעת, לאור הניסויים שלנו, ייתכן שפיסיקאים העוסקים במצבים טופולוגיים יהיו צריכים להביא בחשבון תמונה מורכבת יותר של השפעות קוונטיות אלה". לממצאים אלה עשויות להיות השלכות, בין היתר, על הבנת הובלת חום קוונטית ועל פיתוח מכשירים למדידה בדיוק גבוה של התנגדות קוונטית.

במחקר השתתפו גם ד"ר קוסיק באגני, נדב אורבך, ד"ר אלה לחמן וד"ר יורי מיאסויידוב מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע.