דרגות חופש

מדעני מכון ויצמן הצליחו ליצור גביש אלקטרונים (“גביש ויגנר”) המורכב משני אלקטרונים

בשנת 1934 פירסם הפיסיקאי יוג’ין ויגנר חיזוי תיאורטי מפתיע: הוא טען, כי בנסיבות מסוימות עשויים אלקטרונים ליצור מבנה גבישי. הגבישים שאנו מכירים עשויים מאטומים הממוקמים במבנה סריגי מסודר, שהוא תוצר של כוחות המשיכה ביניהם. אלקטרונים, לעומתם, מתקשים להסתדר במקום יציב וקבוע. חלקיקים קטנטנים אלה, שהם כמעט חסרי משקל, נמצאים על פי רוב בתנועה מתמדת. המטען השלילי שהם נושאים גורם להם להידחות ולהתרחק זה מזה. ויגנר טען כי דווקא תכונה זו – הדחייה ההדדית – דוחפת את האלקטרונים להסתדר במבנה גבישי.

הדוגמה הפשוטה ביותר של התופעה יכולה להתקיים כאשר ממקמים את האלקטרונים במבנה חד-ממדי – כחרוזים על גבי חוט דמיוני. הדחייה ההדדית ביניהם גוברת על נטייתם לנוע, וכופה עליהם להסתדר במרווחים שווים לאורך החוט.

לצורך יצירת “גביש ויגנר” נדרשת מערכת שבה יש דחייה חזקה בין האלקטרונים לבין עצמם, אולם האינטראקציה עם רכיבים אחרים במערכת, אשר עשויה להפריע ליצירת הגביש, היא מזערית. מערכות המבוססות על מתכות, לדוגמה, אינן באות בחשבון, משום שאלקטרונים נעים בחומר מתכתי בחופשיות יחסית, ויש בו אלקטרונים רבים מכדי שיתאים לתנאים הנדרשים ליצירת “גביש ויגנר”. מצד שני, גם החדרת כמות קטנה של אלקטרונים לתוך חומר אינרטי אינה יוצרת את התוצאה הרצויה, משום שאפילו ריכוז קטן של פגמים, אשר קיימים בכל אחד מהחומרים המוכרים, יגרום לאלקטרונים להימשך אליהם, במקום לקיים אינטראקציה זה עם זה.

משום כך, יצירת גביש ויגנר היא משימה מסובכת. מדענים שחיפשו דרכים ליצור אותו גילו עד עתה רק רמזים לקיומו, אולם אף אחד לא הצליח להוכיח את קיומו באופן ישיר. כעת, כ-80 שנה לאחר החיזוי התיאורטי של ויגנר, הצליחו ד”ר שחל אילני ותלמיד המחקר שרון פקר, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, בשיתוף עם מדענים מארה”ב, מאיטליה ומדנמרק, ליצור גביש ויגנר המורכב משני אלקטרונים – מעין “מולקולת ויגנר”.

לשם כך בחרו המדענים ננו-צינורית פחמן זעירה ונקייה, והחדירו לתוכה שני אלקטרונים. אטומי הפחמן שמהם בנויה הננו-צינורית קשורים בחוזקה זה לזה, לצורך יצירת המבנה היציב, ולכן שני האלקטרונים הנוספים מקיימים יחסי גומלין זה עם זה בלבד. מדידת רמות האנרגיה של המערכת הראתה למדענים, כי היא מתנהגת כפי שמצופה מגביש ויגנר: כל אחד מהאלקטרונים התמקם בקצה אחר של הננו-צינורית. לאחר מכן “דחסו” המדענים את האלקטרונים בכוח לאחד מצדי הננו-צינורית, וגילו כי למרות הלחץ שהופעל עליהם, האלקטרונים שומרים על מרחק זה מזה. “ההתנהגות הזו של האלקטרונים בתגובה ללחיצה מעידה, כי ‘מולקולת ויגנר’ שנוצרה היא תוצר של האינטראקציות בין שני האלקטרונים, ולא נובעת מהשפעת הסביבה החיצונית”, אומר שרון פקר.

מלבד הוכחת החיזוי התיאורטי של ויגנר, ד”ר אילני אומר כי המחקר, שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature Physics, מהווה המחשה חשובה לכך שננו-צינוריות פחמן יכולות להוות מערכת פיסיקלית מיוחדת במינה, המאפשרת בפעם הראשונה לשלוט באופן מבוקר בתכונותיהם של אלקטרונים. “אם נצליח להרחיב את יכולתנו ונשלוט בצורה מבוקרת במספר רב של אלקטרונים לאורך ננו-צינוריות הפחמן, הדבר יאפשר רמה חדשה של ניסויים מדויקים במצב מוצק. ננו-צינוריות פחמן יוכלו לשמש כמעבדה נקייה לחקר תופעות בסיסיות במכניקה קוונטית, בקנה-מידה ננומטרי”, אומר ד”ר אילני. רעיון זה הניע את קבוצתו לפתח שיטה חדשה ויעילה לייצור התקני ננו-צינוריות פחמן. המצאתם, שהתפרסמה באחרונה בכתב-העת Nature Nanotechnology, מאפשרת ליצור התקנים חשמליים מננו-צינוריות מורכבים ונקיים יותר מכל אלו שנוצרו עד היום, ובהם ניתן לשלוט באופן פרטני בהתנהגותם של אלקטרונים רבים.

עד כה התבססו השיטות לייצור התקני ננו-צינורות על יצירה של שני רכיבים בו בזמן: גידול הננו-צינורות ובניית המעגל חשמלי. כל אחת מהמשימות האלה, לבדה, היא קשה ביותר, והסיכוי לייצר התקן פעיל באמצעות הגשמת שתיהן הוא קטן מאוד. “השיטה החדשה שלנו פותרת את הבעיה הבסיסית הזו באמצעות חלוקת התהליך לשני שלבים נפרדים”, אומר תלמיד המחקר ג’ונה וייסמן. “על שבב אחד אנו מגדלים ננו-צינורות, ואילו את המעגל החשמלי אנחנו יוצרים על שבב אחר. הפרדה זו מאפשרת לייצר כל אחד מהרכיבים הללו בצורה מושלמת. לאחר מכן אנחנו משתמשים במנועים זעירים בעלי דיוק ננומטרי כדי לשלב את שני החלקים להתקן מתפקד אחד”. כך אפשר כעת ליצור, לדוגמה, מעגל חשמלי הבנוי ממספר ננו-צינורות. “שיטת הייצור החדשה שלנו משאירה מעט מאוד מקום ליד המקרה”, אומר ד”ר אילני, “מאחר שיש באפשרותנו לוודא כי גם הננו-צינורית וגם המעגל החשמלי מושלמים, עוד לפני ההרכבה שלהם להתקן מתפקד”.

באמצעות ההתקנים החדשים שייצרו מתכננים ד”ר אילני וחברי קבוצתו לחשוף היבטים חדשים ומרתקים של מולקולות ויגנר המכילות מספר גדול יותר ויותר של אלקטרונים – בתקווה להתקרב בהדרגה לגביש קוונטי מלא. התקנים אלה פותחים גם מיגוון רחב יותר של אפשרויות מחקריות חדשות: ננו-צינורות פחמן הם גבישים בעלי תכונות חשמליות ומכניות ייחודיות, והמערכת החדשה מהווה מעבדה ייחודית לחקירתן. “היכולת לשלוט בדרגות חופש רבות כל כך תאפשר לנו לבצע ניסויים בעולם הננו שאי-אפשר היה לדמיין עד כה”, מסכם ד”ר אילני.