שולטים בחומר

זהו סיפורו של חומר יוצא דופן הנמנה עם קבוצת חומרים ייחודית שהתגלתה לפני כ-15 שנה ומכונה "מבודדים טופולוגיים". כמו שאר חברי הקבוצה, גם חומר זה מבודד "מבפנים" ומוליך "מבחוץ", אך במקרה שלו נוסף על כפל תכונות זה – הולכה ובידוד – מתקיימת בו כפילות נוספת: הולכת האלקטרונים על-פני השטח שלו מתרחשת בשני אופנים שונים. זהו גם סיפורן של שלוש קבוצות מחקר – שתיים במכון ויצמן למדע ואחת בגרמניה – ושל הקשר המיוחד שנוצר ביניהן. 

לפני כחמש שנים, החלה ד"ר נורית אברהם את עבודתה כמדענית סגל בקבוצתו של ד"ר חיים ביידנקופף במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון. בערך באותה התקופה, פרופ' בינגהאי יאן הגיע לביקור מדעי ראשון במכון; באותה העת הוא נמנה עם קבוצת המחקר של פרופ' קלאודיה פלסר במכון מקס פלאנק לפיסיקה כימית של מוצקים בדרזדן, המפתחת במעבדתה סוגים חדשים של חומרים טופולוגיים. בעוד ד"ר ביידנקופף וקבוצתו מתמחים במדידת חומרים טופולוגיים ובסיווגם ברמת האטום הבודד, פרופ' יאן מתמקד בחיזוי תיאורטי של התנהגות חומרים אלה ויוצר מודלים מתמטיים שיכולים להסביר את התנהגותם הלא-שגרתית. 

ד"ר אברהם וד"ר ביידנקופף התעניינו באותה התקופה במבודד טופולוגי מסוג מיוחד, שבו המבנה הכימי מאורגן בשכבות. במפגש ביניהם, הציע להם פרופ' יאן לעבוד עם חומר שכבתי אשר חישוביו חזו את קיומן של תכונותיו הטופולוגיות המיוחדות, ואשר פותח בהמשך במעבדתה של פרופ' פלסר. עד מהרה, החלו קבוצות המחקר ממכון ויצמן וממכון מקס פלאנק לשתף פעולה: את הפרויקט הובילה ד"ר אברהם – היא קיבלה דגימות של החומר ממעבדתה של פרופ' פלסר, הובילה את המדידות ועבדה יחד עם פרופ' יאן כדי לבדוק עד כמה התממשו התחזיות התיאורטיות בניסויים. עם העמקת שיתוף הפעולה, ביקר פרופ' יאן שוב במכון, אך הפעם, בעקבות הביקור, החליט לעזוב את גרמניה, להצטרף למחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן, ולעבור עם משפחתו לרחובות. "זו הייתה נקודת מפנה שהביאה אותי לנתיב הקריירה הנוכחי שלי", מספר פרופ' יאן. 

בשנים שלאחר מכן, ד"ר ביידנקופף, ד"ר אברהם, פרופ' יאן ופרופ' פלסר המשיכו לשתף פעולה בפרויקטים מחקריים רבים, תוך שהם בוחנים את תכונותיהם של סוגים שונים של חומרים טופולוגיים. אולם אותו חומר מיוחד שסימן את תחילת שיתוף הפעולה ביניהם – תרכובת של ביסמוט, טלור ויוד – הפך עבורם לפרויקט רב-שנים. תחילה, ניתח פרופ' יאן את "מבנה הפסים" של החומר (תחומי האנרגיה ה"מותרים" עבור האלקטרונים), בעוד ד"ר אברהם וד"ר ביידנקופף חשפו פני שטח חדשים של דגימות החומר, והשתמשו במיקרוסקופ מנהור סורק (STM) צפיפות האלקטרונים בנקודות שונות על פניו. התיאוריה חזתה, שהחומר יתנהג כמבודד טופולוגי חלש – כלומר מתכתי בשוליים ומבודד בפני השטח העליונים והתחתונים – סוג של חומרים טופולוגיים, שבפני עצמו כמעט שלא נחזה ניסויית. החוקרים אכן גילו כי החומר פועל כמבודד טופולוגי חלש בצדדיו החתוכים, אך בניגוד לתחזיות – על פני השטח העליונים של הדגימות, הם מצאו עדות למצבי הולכה טופולוגיים ייחודיים.

האם ייתכן שלא זו בלבד שחומר זה הוא בו-בזמן מבודד ומוליך, אלא שהוא גם מוליך בשני אופנים שונים? פריצת הדרך בפענוח החומר נבעה בחלקה מפרסום מאמר תיאורטי של קבוצת מחקר אחרת, שהעלה השערות לגבי קיומו של חומר מעין זה. בסופו של דבר, התיאוריה והניסוי נפגשו, ובמאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Materials, מראים החוקרים כי אכן, החומר הוא בעת ובעונה אחת שני סוגים שונים של מבודדים טופולוגיים.

החוקרים מאמינים כי חומרים טופולוגיים חדשים נוספים עשויים להתגלות כבעלי כפל תכונות זה, וכי עובדה זו פותחת את הדרך בפני אפשרויות להנדס חומרים, כך שיהיו להם תכונות חשמליות שונות ומשלימות בעת ובעונה אחת. "מבחינה טכנית העבודה הייתה מאתגרת, אבל הסיפור עצמו התגלה כפשוט", אומר פרופ' יאן. "זה גם סיפור על חברות נהדרת שנוצרה משיתוף פעולה מדעי הדוק כל כך", מסכמת ד"ר אברהם. "והכל", מוסיף ד"ר ביידנקופף, "החל בשאלה על אודות תכונותיו של חומר אחד"