הינך נמצא כאן

מצב הצבירה: נזיל

23.02.2014

 

מימין: ד"ר מיכאל שטרן, פרופ' ישראל בר-יוסף וד"ר ולדימיר אומנסקי. יישות אבודה

כאשר אנחנו מאבדים משהו, היישות האבודה עדיין מצויה בדרך כלשהי בזיכרוננו. במובן מסוים, הזיכרון הזה מקנה ליישות האבודה סוג של קיום נגרע. התופעה הזאת ידועה היטב בעולם הפסיכולוגיה וגם בתחום הפיסיולוגיה ("תחושת פנטום"), אבל למעשה היא מתחוללת גם בעולם החומרי. כך, למשל, כאשר אלקטרונים שמצויים בחומר מוליך-למחצה "מדלגים" לרמת אנרגיה גבוהה יותר (כתוצאה מעירור אופטי), הם מותירים אחריהם מחסור באלקטרון, סוג של "חלל" או "חור". ה"חור" הזה פועל ומתנהג כיישות חומרית לכל דבר ונושא מטען חשמלי חיובי, שהוא הפוך מהמטען החשמלי השלילי של האלקטרון. במצבים מסוימים עשוי האלקטרון שדילג לרמת אנרגיה גבוהה לנוע סביב ה"חור" שהוא עצמו הותיר אחריו. ה"חור", בעל המטען החשמלי החיובי, מתפקד כמעין גרעין לאטום הקרוי "אקסיטון". אך בשונה מאטומים בטבע – האקסיטונים מתקיימים רק להרף עין. האלקטרון המעורר שואף "לחזור הביתה", ולשוב ולתפוס את מקומו הקודם, במקום ה"חור". ואכן, בדרך הטבע הוא מצליח לשוב למקומו המקורי בתוך זמן קצר מאוד, בדרך כלל ננו-שניות בודדות. האור הנפלט בתהליך שיבת האלקטרון למקומו משמש ככלי להבנת אורחות חייהם של האקסיטונים, המהווים כר פורה למחקר וליישומים רבים.
 
אם האקסיטון משול לאטום, עולה השאלה: האם ניתן ליצר מבנים מורכבים יותר, שבהם משתתפים אקסיטונים רבים, למשל, גביש או נוזל של אקסיטונים?
 
פרופ' ישראל בר-יוסף, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, יחד עם ד"ר מיכאל שטרן וד"ר ולדימיר אומנסקי, התמודד עם אתגר זה. השלושה הצליחו לצפות לראשונה ביצירת נוזל אקסיטוני, ותוצאות מחקרם זה התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science. הקושי הראשוני, המונע בדרך כלל יצירת מבנים מורכבים מסוג זה, הוא זמן החיים הקצר של האקסיטונים. הם נעלמים זמן קצר מאוד לאחר היווצרם, למעשה מיד לאחר מכן, כך שאי-אפשר ליצור צפיפות גבוהה של אקסיטונים, הנחוצה ליצירת נוזל. כדי להאריך את אורך חייו של האקסיטון ולשמרו למשך זמן רב יותר, השתמשו החוקרים במבנים רב-שכבתיים הבנויים משכבות דקיקות, בעובי של עשרות בודדות של אטומים כל אחת.
 
גידול מבנים מסוג זה הוא אחד מתחומי ההתמחות של המרכז התת-מיקרוני במכון ויצמן למדע. בשיטה זו אפשר ליצור "בור קוונטי", הכולא את האלקטרונים (וה"חורים") בשכבה דקיקה. כאשר יוצרים מבנה של שני בורות קוונטיים הקרובים מאוד זה לזה ומפעילים עליו שדה חשמלי, אפשר לגרום לכך שהאלקטרון יימצא בשכבה אחת, וה"חור" – בשכבה הסמוכה. במצב זה, השניים עדיין חשים במשיכתם החשמלית
ההדדית, ומסוגלים ליצור אקסיטון, אך האיחוד ביניהם קשה יותר, שכן הם מופרדים במרחב. כך הצליחו המדענים ליצור אקסיטונים שזמן הקיום שלהם ארוך מאוד, כאשר עוצמת השדה החשמלי שמופעל על המערכת (ומשפיע על המרחק בין האלקטרון לבין ה"חור") משמשת כלי לשליטה בזמן זה.
 
עם קירור המערכת לטמפרטורה נמוכה והגדלת צפיפותם של האקסיטונים, צפו החוקרים במעבר חד (המתרחש בטמפרטורה ובצפיפות נמוכות מאלו הקריטיות), שבמסגרתו נחלקת המערכת לשני אזורים: איזור "גזי", בו נעים האקסיטונים בצורה אקראית זה ביחס לזה, ואיזור "נוזלי" – בו תנועתם מסודרת. הנוזל שנצפה במעבדה שונה מן הנוזלים המוכרים בטבע. בדרך כלל, גבישים ונוזלים נוצרים כתוצאה מקיומם של כוחות משיכה הפועלים בין האטומים במרחקים קרובים, אך כאן המצב הפוך: האקסיטונים דוחים זה את זה, שכן כוחות הדחייה בין אלקטרון לאלקטרון ובין חור לחור (המצויים באותה שכבה) גדולים במעט מכוחות המשיכה הפועלים בין אלקטרונים לבין חורים (המצויים בשכבות שונות). הדחייה השיורית החלשה גורמת לכך שהאקסיטונים מתמקמים במרחקים שווים – בקירוב - זה מזה, ויוצרים יחד מבנה דינמי מסודר, הדומה למצב צבירה נוזלי.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם