הינך נמצא כאן

על הקצה, נגד הזרם

מדעני מכון ויצמן למדע צפו לראשונה בקבוצות אלקטרונים המתפקדות כ"חלקיקים מדומים", כשהן נעות נגד הזרם במערכת הול הקוונטית השברית
14.02.2019

נהג שטעה במחלף ומצא את עצמו נוהג בכביש המהיר, נגד כיוון התנועה, מקבל שיחת טלפון מאשתו: "תיזהר", היא אומרת לו, "ברדיו מדווחים שיש נהג פרוע, שנוהג נגד כיוון התנועה". "רק אחד כזה?" הוא עונה לה, "יש כאן המון כאלה..."

תנועה בניגוד לכיוון הזרם הרגיל, העיקרי, היא תמיד עניין לא פשוט, אבל בדרך כלל היא מיוחסת לבני-אדם ולאופי המרדני של אחדים מהם. אלקטרונים, לעומת זאת, מצופים לנהוג באופן קבוע, כך שכל האלקטרונים במערכת מסוימת נעים באותם מסלולים. אלא שמתברר שגם בעולמם הזעיר של האלקטרונים, עשויים להיווצר מצבים שבהם רוב האלקטרונים נעים בכיוון אחד, ואילו כמה מהם נעים נגד כיוון הזרימה הכללי. תופעה זו התגלתה באחרונה בניסוי שביצעו תלמידי המחקר אמיר רוזנבלט ופביאן לפונט, מדען הסגל ולדימיר אומנסקי ופרופ' מוטי הייבלום במכון ויצמן למדע.

התצפית בוצעה במערכת הול הקוונטית השברית. תופעת הול מתחוללת כאשר מערכת, שבה נעים אלקטרונים, נתונה להשפעת שדה מגנטי מאונך למישור התנועה של האלקטרונים. כתוצאה מכך האלקטרונים "נדחקים" ממרכז המערכת וממשיכים לנוע על שפתה. בתנאים מסוימים, המערכת הופכת "שברית", כלומר, על אף שהיא מערכת אלקטרונית, שנעים בה חלקיקים – אלקטרונים – בעלי מטען חשמלי שלילי זהה, נוצרים בה "חלקיקים" שמטענם הוא שבר ממטען האלקטרון. חלקיקים אלה הם, למעשה, מעין מבנים (או קבוצות) של אלקטרונים המתפקדים כ"חלקיקים מדומים" ("קוואזי-חלקיקים"), שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד: שליש ממטען האלקטרון, חמישית או שביעית ממנו, ועוד.

לפי תיאוריה מסוימת, במערכת של תופעת הול הקוונטית השברית, שבה נוצרים חלקיקים מדומים בעלי מטען חשמלי השווה לשני שלישים ממטען האלקטרון – אמורים להיווצר גם "חורים מדומים" בעלי מטען חשמלי שברי חיובי. "חורים" הם מעין "חללים" שמותירים אחריהם אלקטרונים שדילגו למצב אחר. ה"חור", או ה"חוסר באלקטרון" (או, אם רוצים, מעין "אובר-דראפט"), מתפקד כחלקיק. מכיוון שלאלקטרון יש מטען חשמלי שלילי, ל"חוסר באלקטרון" יש מטען חשמלי הפוך – כלומר, חיובי. ה"חורים" האלה, בעלי המטען החשמלי החיובי, אמורים, לפי התיאוריה, לנוע על שפת המערכת בכיוון מנוגד לזה של החלקיקים השבריים המדומים.

בעבר ניסו מדענים, במקומות שונים בעולם, להבחין בזרם ההפוך הזה, אך לא הצליחו לצפות בו או למדוד אותו. מדעני המכון הצליחו באחרונה לעשות זאת. הניסוי שהוביל להצלחה בוצע במערכת הול הקוונטית השברית, שבה נוצרים חלקיקים מדומים בעלי מטען השווה לשני שלישים ממטען האלקטרון, ואשר הזרם בה אינו מקוטב מגנטית (בעבר ניסו המדענים להבחין ב"זרם החורים" שנע בכיוון הפוך, במערכות שהתקיים בהן קיטוב). בניית מערכת ניסוי מתאימה, שלא מתקיים בה קיטוב, חייבה תכנון זהיר וקפדני, ובנייה על גבי שבבים של מוליכים-למחצה בעלי תכונות מוגדרות וייחודיות שקשה ליצור אותן. כאן נכנס לתמונה מדען הסגל ד"ר ולדימיר אומנסקי, שהוא מומחה בעל-שם עולמי ליצירת גבישים ייחודיים במוליכים-למחצה. ד"ר אומנסקי יצר גבישים שאפשרו לחברי קבוצת המחקר לבנות את מערכת הניסוי שבה הצליחו למדוד את "זרם החורים", שנע בכיוון הפוך לכיוון של זרם האלקטרונים.

"זרם החורים", שנע בכיוון ההפוך היה חלש בהרבה מהזרם הרגיל של האלקטרונים (בערך עשירית ממנו), והוא נחלש עד כדי היעלמות, כתלות במרחק התנועה. כלומר, מדובר בתופעה שמתחוללת בתנועה של חלקיקים טעונים למרחק זעיר – עד כארבעה מיקרומטר. ובכל זאת, התמיכה המשמעותית של תוצאת הניסוי הזה בתיאוריה מקדמת את יכולתנו להבין טוב יותר את מערכת החוקים השוררת בעולמם של חלקיקים קוונטיים.

האלקטרונים, נושאי המטען, כלואים במישור דו-ממדי בתוך מוליך-למחצה נקי ביותר. לאלקטרונים ניידות גבוהה מאוד כך שכל אלקטרון ינוע על פני כ-300,000 אטומים עד שיתנגש וישנה את כיוונו.

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם