לשים את השוליים במרכז

בסרטון: מעקב אחר המיקומים המדויקים של מצבי הקצה אפשר למדענים לבנות מפות מרחביות של זוויות הפיתול המקומיות ברזולוציה ובדיוק חסרי תקדים. מפות אלה חושפות תבנית נוף מורכבת של עמקים, פסגות ונקודות אוכף

גילויו של הגְרַפֵן לפני כ-15 שנה היה הצעד הראשון במהפכה מתגלגלת בעולם הנדסת החומרים. השימוש ביריעות דו-ממדיות אלה של אטומי פחמן, מאפשר כיום להנדס חומרים ברמת דיוק גבוהה ולהקנות להם מאפיינים ייחודיים בדרכים שלא היו קיימות בעבר. לפני כשנתיים, גילו מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) "פיתול" נוסף בעלילה: הם יצרו חומר משתי שכבות גרפן, כשהעליונה מסובבת קלות ביחס לשנייה ב"זווית קסם" של מעט יותר ממעלה אחת. בעוד יריעת גרפן חד-שכבתית מתנהגת כמתכת-למחצה, זווית הקסם הפכה את הגרפן הדו-שכבתי למוליך-על. השינויים הדרמטיים בתכונות החשמליות כתוצאה משינויים קטנים בזווית הפיתול הביאו לייסוד תחום מחקר חדש, שזכה לכינוי "טוויסטרוניקה". באחרונה, חברו חוקרים ממכון ויצמן למדע לקבוצת המחקר מ-MIT כדי לחשוף את הפיסיקה בבסיס ה"טוויסטרוניקה". בעבודתם המשותפת זיהו החוקרים אי-סדר מסוג חדש – תגלית שעשויה להצעיד קדימה את המחקר בתחום.

תלמיד המחקר אבירם אורי וד"ר סמיר גרובר מקבוצתו של פרופ' אלי זלדוב במחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון, הובילו את המחקר לצד יואן סאו ועמיתיו מקבוצת המחקר בראשות פרופ' פבלו חריו-אררו ב-MIT. יריעות הגרפן הכפולות הוכנו לניסוי ב-MIT ונשלחו משם למכון ויצמן, שם נחקרו בעזרת מיקרוסקופ סורק מבוסס התקן התאבכות קוונטית של מוליכי-על בקצה חוד (Scanning SQUID-on-a-tip) – מגנומטר רגיש במיוחד ברזולוציה ננומטרית שפותח במעבדתו של פרופ' זלדוב, ומאפשר למדוד את זרימת האלקטרונים ב"גרפן זווית הקסם". ראשית, גילו החוקרים שהאלקטרונים נעים דרך החומר במסלולים צרים ו"מועדפים" המזכירים "מצבי קצה" קוונטיים שפרופ' זלדוב וצוותו זיהו כבר בניסויים קודמים בגרפן. עם זאת, באופן מפתיע, מצבי הקצה לא הופיעו כמצופה משמם בקצוות – אלא במרכז הדוגמה. הפתרון לחידה, אומר פרופ' זלדוב, הוא שהזרמים הללו אכן נעים בשוליים, אך אלה השוליים של אזורים מובחנים בתוך החומר, שכל אחד מהם מתאפיין בזווית פיתול שונה מעט.

"התכונות החשמליות של החומר תלויות במידה רבה בזווית הפיתול המדויקת. במלים אחרות, יש להתייחס לאזורים עם זוויות פיתול שונות כאל חומרים שונים המחוברים זה לזה

בהמשך, גילו החוקרים כי גם כאשר מכוונים לזווית פיתול מסוימת בעת ייצור החומר, מאמצים ועיוותים אקראיים מובילים לזוויות פיתול משתנות – וליצירת מבנה מורכב ולא אחיד. מעקב אחר המיקומים המדויקים של מצבי הקצה אִפשר לחוקרים לבנות מפות מרחביות של זוויות הפיתול המקומיות ברזולוציה ובדיוק חסרי תקדים. מפות אלה חושפות תבנית נוף מורכבת של עמקים, פסגות ונקודות אוכף.

"התכונות החשמליות של החומר תלויות במידה רבה בזווית הפיתול המדויקת. במלים אחרות, יש להתייחס לאזורים עם זוויות פיתול שונות כאל חומרים שונים המחוברים זה לזה", מסביר אבירם. לפרספקטיבה חדשה זו יש השלכות מרחיקות לכת: קבוצת המחקר של פרופ' זלדוב הראתה כי השינוי ההדרגתי בזוויות הפיתול מוביל להיווצרות שדות חשמליים פנימיים חזקים שאינם מתנהגים כמצופה, בהתחשב באופיו המתכתי של החומר. יתר על כן, ניתן לכוונן ולהגביר שדות אלה משמעותית – פשוט על-ידי שינוי צפיפות האלקטרונים שבהם; שלא כמו שדות חשמליים הנוצרים כתוצאה מאי-סדר במטענים, שדות חשמליים אלה משקפים סוג חדש ביסודו של אי-סדר – "אי-סדר בזווית הפיתול" – אשר משפיע על תכונות האלקטרונים עצמם. כך לדוגמה, נושאי המטען משנים את המסה שלהם בעודם עוברים דרך אזורים שונים בחומר.

אף שמוליכות-העל נצפתה בטמפרטורות נמוכות במיוחד, הממצאים עשויים לפתוח אפיקי מחקר חדשים שיאפשרו להבין גם "מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות", הפועלים בטמפרטורה של כ-100 מעלות קלווין (מינוס 173 מעלות צלסיוס), ואף להוביל את הדרך ליצירת מוליכי-על טובים יותר, שיכולים לפעול בטמפרטורה הקרובה יותר לטמפרטורת החדר. בנוסף, חומר "טוויסטרוני" זה זוכה כבר כיום לתשומת לב רבה בשל תכונותיו הייחודיות, והוא עשוי לשמש בעתיד הקרוב ביישומים שונים, למשל, ליצירת שכבות הפרדת מטענים דקות להתקנים סולאריים.