חלקיקים מלאכותיים, נוזל-על ומוצק-על יתאפיינו בזרימת אלקטרונים באפס חיכוך, בטמפרטורות גבוהות יחסית
ממה בנויים אטומים? ברור, מפרוטונים, מניטרונים ומאלקטרונים – לא? ובכן, לא בהכרח: אלה המרכיבים של אטומים טבעיים, אבל יש גם אטומים מלאכותיים הבנויים מאלקטרונים בלבד, עם תכונות אקזוטיות ומפתיעות.
מה השאלה?איך אפשר ליצור אטומים מלאכותיים הבנויים מאלקטרונים בלבד?
תחום החומרים הקוונטיים נמצא בשנים האחרונות בחזית הפיזיקה. “חומרים קוונטיים” הם חומרים שהתכונות המפתיעות של חלקיקים קוונטיים, המתגלות לרוב ברמת החלקיק הבודד, מתבטאות בהם כהתנהגות קולקטיבית, של חלקיקים רבים יחדיו. דוגמה ידועה להתנהגות כזו היא מוליכוּת-על, כלומר התנגדות חשמלית אפסית, המאפיינת חומרים מסוימים בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. דוגמה אחרת היא נוזליוּת-על: יש חומרים שכאשר מקררים אותם מאוד הם הופכים לנוזלי-על, כלומר זורמים ללא צמיגות וללא חיכוך. אם נערבב בכפית ספל הליום נוזל-על, הוא ימשיך להסתובב לנצח, בניגוד לקפה המוכר לנו מחיי היום-יום.מוליכות-על ולנוזליות-על יש פוטנציאל הנדסי עצום, אך הצורך לקרר את החומרים כמעט עד לאפס המוחלט הוא כמובן מגבלה ניכרת
למוליכות-על ולנוזליות-על יש פוטנציאל הנדסי עצום, אך הצורך לקרר את החומרים כמעט עד לאפס המוחלט הוא כמובן מגבלה ניכרת.
פרופ’ רונן רפפורט מהאוניברסיטה העברית בירושלים שואף להשיג את התכונות האלה בטמפרטורות גבוהות יותר, ואם החלקיקים הטבעיים אינם מספקים את הסחורה – אולי חלקיקים מלאכותיים יעשו זאת.
פרופ’ רפפורט וקבוצתו בונים אפוא חלקיקים מלאכותיים, או קווזי-חלקיקים. תחילה בונים שכבה בעובי אטום יחיד מחומרים טבעיים – כגון סגסוגות של חומרים מוליכים-למחצה כמו גליום ארסנייד, או חומרים מוליכים-למחצה דמויי-גְרָפֶן (גרפן הוא שכבה בודדת של הגרפיט המוכר לנו מעפרונות). השכבה הזאת היא גביש בעל מבנה קבוע וחוזר על עצמו, ויש בה אלקטרונים רבים שמקורם באטומי הגביש. האלקטרונים האלה אינם קשורים לאטום מסוים, אלא יוצרים מעין “בריכת אלקטרונים”.
אם נוסיף מספיק אנרגיה למערכת, נעלה אלקטרון אחד לרמת אנרגיה גבוהה יותר וכך ניצור שתי “בריכות”: בגבוהה מביניהן יש אלקטרון אחד, ואילו בנמוכה יש “חור”, כלומר חוסר באלקטרון. מכיוון שלאלקטרון יש מטען שלילי, ה”חור” פועל כחלקיק בעל מטען חיובי. מטען חיובי ומטען שלילי נמשכים זה לזה; נזכיר שהאטום הפשוט ביותר בטבע, אטום המימן, בנוי מגרעין ובו פרוטון בעל מטען חשמלי חיובי, ומאלקטרון אחד בעל מטען חשמלי שלילי. בדומה לפרוטון החיובי ולאלקטרון השלילי שבאטום המימן, גם האלקטרון וה”חור” במערכת שלנו נמשכים זה לזה, ויוצרים מעין אטום מלאכותי, או קווזי-אטום. אלא שאטום מימן יכול להתקיים כמעט לנצח, ואילו הקווזי-אטום שלפנינו הוא תופעה חולפת: האלקטרון שבבריכה הגבוהה מנסה לחזור למקומו שבבריכה הנמוכה, ולאחר זמן קצר מאוד האלקטרון חוזר למקומו תוך פליטת אור. מערכת כזו נקראת אקסיטון.
האטומים המלאכותיים האלה גדולים וקלים מאוד, ולכן התופעות הקוונטיות הקולקטיביות מופיעות בהם בטמפרטורה גבוהה יחסית. אין צורך לקרר את החומר לטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט – אפשר להסתפק בכמה מעלות קלווין, ובעתיד אולי אפילו בטמפרטורת החדר בעבור חומרים מסוימים.
האם אפשר ליצור במערכת כזו דיפול חשמלי, ואם כן – מה תהיה התוצאה? כדי ליצור דיפול חשמלי, יש להפריד במרחב בין האלקטרון שברמת האנרגיה הגבוהה לבין ה”חור” שממנו הגיע, כך שיימצאו בשכבות אטומיות סמוכות. הפרדה כזו יוצרת שכבה של אלקטרונים ושכבה של “חורים”. כל צמד של אלקטרון ושל “חור” הוא קווזי-אטום המתאפיין בדיפול חשמלי, וכל הדיפולים שבמערכת נמצאים באותו כיוון.
מערכת מלאכותית כזאת מאפשרת למדענים לשאול שאלות חדשות על אינטראקציות במערכות קוונטיות מרובות-חלקיקים. זהו תחום שמאתגר את הפיזיקאים כיום
“מערכת מלאכותית כזאת מאפשרת לנו לשאול שאלות חדשות על אינטראקציות במערכות קוונטיות מרובות-חלקיקים. זהו תחום שמאתגר את הפיזיקאים כיום”, אומר פרופ’ רפפורט. “אנחנו רוצים לבדוק אם נוכל להשיג בפועל שני סוגים תיאורטיים מרתקים של חומרים: נוזל-על יציב, ומוצק-על.”
הצד האפל של הכוח
לדיפולים החשמליים, בדומה לאלקטרונים יחידים, יש גם תכונה מגנטית הנקראת סְפִּין (שיכול להיות בכיוון “מעלה” או “מטה”). דיפול שסכום הספין, יחד עם התנע הזויתי שלו (“ספין מוכלל”) הוא 1, יכול לדעוך ולהיעלם תוך פליטה או בליעה של פוטון. לפיכך הוא נקרא “אקסיטון דיפולרי מואר”. לעומת זאת, דיפול שהספין המוכלל שלו הוא 2, אינו יכול לדעוך באמצעות פליטת אור, ולכן הוא נקרא “אקסיטון דיפולרי חשוך”.
שני סוגי האקסיטונים האלה מסוגלים להתנהג כקולקטיב, שאי-אפשר להבחין בין החלקיקים היחידים שבו. אקסיטונים רבים יחדיו זורמים ללא חיכוך בטמפרטורה גבוהה יחסית – תכונה נחשקת ובעלת פוטנציאל עצום בבניית שבבי מחשב. המכשול הוא היציבות שלהם, או ליתר דיוק, היעדרה: האקסיטונים המוארים דועכים ונעלמים. לכאורה, האקסיטונים החשוכים יהיו יציבים יותר ויפתרו את הבעיה; אך כאשר הם מתנגשים זה בזה, הם הופכים למוארים ודועכים – ולכן גם נוזל-העל החשוך אינו יציב.
מחקרו של פרופ’ רפפורט – שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – מציע פתרון למכשול הזה: אם יוצרים שכבה יחידה של דיפולים, כולם באותו כיוון, החלקיקים דוחים זה את זה ואינם יכולים להתקרב ולהתנגש. באמצעות מערכת כזו של חלקיקים חשוכים, אפשר כנראה להשיג נוזל-על יציב.
פגמים זורמים
יעד שני הוא, כזכור, “מוצק-על”, כלומר גביש הזורם כמו נוזל-על. אם אפשר, באנלוגיה לגביש אטומי, לייצר גביש מסודר של דיפולים; ואם במבנה של גביש כזה יחסר ״אטום דיפולי״ בנקודה אחת ממיליון, ואטום סמוך “יקפוץ” למלא אותה, ואטום נוסף יקפוץ למלא את העמדה שהתפנתה – הרי שנוצרה זרימה של “חורים”. גביש רגיל מורכב מאטומים, שהם כבדים וקשורים למקומם, ולכן זרימה כזו אינה מתרחשת. הקווזי-אטומים, לעומתם, הם כמעט חסרי משקל, ולכן יכולים לזרום. אם המערכת כולה תהיה מספיק קרה, היא צפויה להפוך לנוזל-על – ולכן הזרימה לא תיעצר לעולם.אם המערכת כולה תהיה מספיק קרה, היא צפויה להפוך לנוזל-על – ולכן הזרימה לא תיעצר לעולם
“אלה מערכות מרתקות”, אומר פרופ’ רפפורט. “נוסף על תכונותיהן המפתיעות, המרחיבות את גבולות הידוע לנו על החומר, יש להן גם פוטנציאל מעשי עצום”.
החיים עצמם:
פרופ’ רונן רפפורט עוסק בטיפוס צוקים, ונהנה לטפס על הרים ברחבי העולם.
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
כתבה נהדרת