אלקטרונים כבדים בתרכובת אוראניום

באמצעות מיקרוסקופ, שנועד להראות את הסידור ויחסי-הגומלין של אלקטרונים בגבישים, מדענים קיבלו לראשונה אי-פעם את תמונה של אלקטרונים שהוסיפו לעצמם מסה עצומה בתנאים קיצוניים.

השיטה חושפת את המקור למעבר פאזה אלקטרוני נדיר בחומר מסוים אחד, ופותחת את הצוהר לבדיקות נוספות של התכונות והתפקודים של הצורונים המכונים פרמיונים כבדים. מדענים מהמעבדה הלאומיתBrookhaven של המשרד לאנרגיה של ארה”ב, אוניברסיטת McMaster והמעבדה הלאומית לוס אלאמוס, מפרסמים את ממצאי המחקר בכתב-העת המדעי Nature.

“פיסיקאים התענינו בסוגיה של פרמיונים כבדים – מדוע אלקטרונים אלו מתנהגים כאילו יש להם מסה הגדולה פי מאות או אפילו אלפים יותר ממסתם המקורית בתנאים מיוחדים – מזה כארבעים שנים,” אומר האחראי למחקר Séamus Davis, פרופסור למדעי הפיסיקה באוניברסיטת קורנל. הבנת התנהגותם של פרמיונים כבדים תוכל להוביל לפיתוח חומרים חדשים עבור על-מוליכים בטמפרטורה גבוהה.

במחקר הנוכחי, המדענים עקבו אחר תכונות האלקטרונים בחומר המורכב מאוראניום, רותניום וסיליקון, חומר שהוא עצמו היה בגדר תעלומה מדעית במשך 25 שנים. בחומר זה, ההשפעות של פרמיונים כבדים מתחילים לתת את אותותיהן כאשר החומר מקורר לטמפרטורה של מינוס 218 מעלות צלסיוס. בטמפרטורה של מינוס 255.65. מתרחש מעבר פאזה אלקטרוני יוצא דופן אפילו יותר.

מדענים ייחסו את מעבר הפאזה בטמפרטורה נמוכה זו לצורה מסוימת של “סדר חבוי”. הם לא הצליחו לקבוע אם הוא קשור להתנהגותם השיתופית של האלקטרונים המתנהלים כגל, או ליחסי-הגומלין של אלקטרונים פרטניים עם אטומי האוראניום. Alexander Balatsky, פיסיקאי תיאורטי ממעבדות לוס אלאמוס, סיפק הנחיה כיצד לפתור את השאלה הזו. בעזרת הנחיה זו, קבוצת המחקר השתמשה בשיטה שתוכננה בכדי לעקוב אחר התנהגותם של האלקטרונים בכדי “לראות” מה הם עושים בזמן מעבר הפאזה המסתורי הזה. בשיטה – מיקרוסקופית מנהור סורק בדימות ספקטרוסקופי (SI-STM) – מודדים את אורכי הגל של אלקטרונים על המשטח של החומר ביחס לאנרגיה שלהם.

“דמיינו שאתם טסים מעל מאגר מים שבו גלים עומדים נעים מעלה-מטה, מבלי שהם מתקדמים לעבר החוף,” מסביר החוקר. “כאשר אתה עובר מעל שיאי הגל, אתה מסוגל לגעת במים; כאשר אתה עובר מעל נקודות השפל – אינך מסוגל לגעת בהם. הדבר דומה למה שעושה המיקרוסקופ שלנו – הוא מדמה כמה אלקטרונים מסוגלים “לקפוץ” לעבר חוד הגלאי שלו בכל נקודה ונקודה על-גביי המשטח.” ממדידות אורכי-הגל וכמויות האנרגיה המדענים מסוגלים לחשב את המסה המעשית של האלקטרון.

“השיטה גילתה לנו שאנו מתעסקים עם אלקטרונים כבדים מאוד – או אלקטרונים המתנהגים כאילו שהם כבדים מאוד, מאחר ומהירות תנועתם פחתה במעט,” מסביר החוקר.
הגילוי של מאפייני “אלקטרונים כבדים” מתחת לטמפרטורת המעבר השנייה מספק ראיה ניסיונית ישירה לכך שהאלקטרונים “מגיבים” עם אטומי האוראניום ולא שהם מתנהגים כגל שיתופי.

כדי לדמיין זאת, תארו לעצמכם שחקני כדורגל הרצים לעבר שער היריב ברגע בעיטת הפתיחה. אם כל שחקן היה חופשי לרוץ ללא הפרעה, כל הקבוצה הייתה נראית כפועלת בצורת גל של “אלקטרונים” עצמאיים יחסית. אולם, תארו לעצמכם שבמקום זאת, המגרש מלא במערך של כיסאות, וכל שחקן צריך לשבת באופן מיידי על הכיסא ברגע שהוא נתקל בו לפני שהוא ממשיך הלאה במגרש. במקרה הזה, הכיסאות הם המקבילה לאטומי האוראניום. יחסי-הגומלין הללו שבין השחקנים לכיסאות (או האלקטרונים לבין אטומי אוראניום) בברור מאטים את ההתקדמות.
במקרה של האוראניום, האטת האלקטרונים נמשכת רק שבריר השנייה מול כל אטום בחומר. אולם, מאחר ואנרגית התנועה (אנרגיה קינטית) והמסה קשורים ביניהם מתמטית, ההאטה גורמת למדידה של אלקטרונים כבדים יותר מאשר אלקטרונים חופשיים.

מלבד גילוי יחסי-גומלין אלו כמקור ל”סדר החבוי” בתרכובת האוראניום, המחקר מראה עוד כי השיטה המסוימת יכולה לשמש ל”צפייה” באלקטרונים כבדים. בעקבות כך, נפתח צוהר לפיתוח דרכים נוספות לחקר וצפייה של תופעה זו.

צוות המחקר ממשיך לבחון באמצעות שיטה זו מגוון של תרכובות דומות לשם הבנה מעמיקה יותר של מערכות פרמיונים כבדים. “פרמיונים כבדים נותרו מסתוריים בדרכים רבות, ותפקידנו כמדענים לפתור את הסוגיה הזו,” מסביר החוקר הראשי.

הידיעה מאוניברסיטת קורנל