חוקרים גילו מצב חדש של אלקטרונים המתנהגים כאור

האלקטרונים התנהגו כמו פוטונים כאשר חלפו דרך גביש העשוי מהמתכת ביסמוט

צוות חוקרים מהמרכז להנדסה ולמדעים בחקר חומרים אשר באוניברסיטת פרינסטון צפו באלקטרונים הנעים דרך גביש של המתכת ביסמוט המתנהגים כאור.  תגלית זו, במימון הקרן הלאומית למדעים (NSF), פורסמה בכתב-העת היוקרתי Science ותוכל להוביל לפיתוח התקנים אלקטרוניים מסוגים חדשים.

אלקטרונים, או חלקיקי החשמל, עוברים דרך האוויר בדומה לכדורי בייסבול. לחילופין, כאשר האלקטרון נע בתוככי מערך אטומים מסודר ותבניתי של גבישים, הוא מתנהג בצורה שונה לחלוטין. המשוואות הבסיסיות המתארות את תנועתו בגביש שונות מאוד מאלו עבור מודל הכדורים העפים בחופשיות. לדוגמא, בביסמוט המשוואות הבסיסיות של תנועת האלקטרון דומות לאלו המתארות את התנהגות האור. למרות שהאלקטרונים נעים בתוככי הגביש במהירות איטית ממהירות האור, הם מתנהגים כאילו הם חסרי מסה, בדומה לפוטונים, היחידות הזעירות ביותר של האור.

לפני כעשור, פיסיקאים תיאורטיים במימון הקרן בחנו אלקטרונים המתוחמים במבנים שכבתיים מלאכותיים הבנויים ממוליכים-למחצה – החומר ממנו עשויים הטרנזיסטורים של ימינו. הם העריכו כי סוגים חדשים של חומר אלקטרוני הנשלט ע”י החוקים של מכאניקת הקוואנטים יופיעו מתוך האלקטרונים במשטחים שונים האחראיים לתנועתם. מדענים העריכו כי גבישי ביסמוט יפגינו גם הם מצבים אלקטרוניים כאלו.        

הקבוצה מפרינסטון, בראשותו של הפרופסור לפיסיקה ,N. Phuan Ong מיקמה גביש של ביסמוט על קורה כפופה או שלוחה (cantilever), ואז הכניסה את ההתקן הזה לתוך שדה מגנטי חזק הגבוה פי מיליון מהשדה המגנטי של כדור-הארץ. בתוך שדה מגנטי עצום שכזה ההתקן התעוות. אופן העיוות מרמז על הסוג החדש והעדין של החומר בגביש הביסמוט. 

בחד-גביש של ביסמוט, האלקטרונים לרוב מתוחמים לשלושה “עמקים” בתמונת הנוף המופשטת שהמדענים משתמשים כדי לייצג את מצבי אנרגיות האלקטרונים במבנה הגבישי. באמצעות בחינה מדוקדקת של ההתקן המתעוות, החוקרים צפו במעבר ממצב בו האלקטרונים “מעדיפים” להתמקם בעמק אחד למצב בו הם חולקים את הזמן שלהם באופן שווה בין כל שלושת העמקים – התנהגות הנשלטת ע”י החוקים הבסיסיים של מכאניקת הקוונטים.

“עובדה זו מרגשת מכיוון שהדבר היה חזוי אך מעולם לא נצפה בעבר, ובסופו של דבר זה עשוי להוביל לדרכי-חשיבה חדשות בענפי המחשב והאלקטרוניקה,” מציין אחד מהחוקרים.

יחד עם מחקר זה, התיאוריה של האלקטרודינאמיקה מציגה תמונת-נוף מגוונת ועשירה של המצבים האלקטרוניים האפשריים של מוליכים-למחצה, והחוקרים מפרינסטון ממשיכים בהרפתקה זו. ביום מן הימים, מצבים אלקטרוניים חדשים אלו של החומר יוכלו להוביל לפיתוח מתקנים אלקטרוניים יעילים וחדשים שינצלו את העקרונות של מכאניקת הקוונטים לחישובים מהירים ביותר ותקשורת אמינה.         

להודעה של החוקרים