# לראשונה: שליטה באלקטרונים בגרפן באמצעות לייזר שהופך אותו למבודד טופולוגי

> חוקרי הטכניון ועמיתיהם בגרמניה השיגו לראשונה שליטה באלקטרונים בגרפן באמצעות פולסי לייזר. האור הפך את הגרפן לזמן קצר לחומר קוונטי מסוג חדש. לאחר מכן, פולס שני כיוון את זרם האלקטרונים בתוכו.

- Canonical: https://www.hayadan.org.il/laser-control-electrons-graphene
- Author: אבי בליזובסקי
- Published: 2026-11-02T08:00:00+02:00
- Modified: 2026-10-31T07:02:03+02:00
- Sections: ננו חומרים, פיזיקה קוונטית
- Topics: Nature Physics, גרפן, הטכניון, לייזר, פיזיקה קוונטית

## Article

חוקרי הטכניון ועמיתיהם בגרמניה השיגו לראשונה שליטה באלקטרונים בגרפן באמצעות פולסי לייזר. האור הפך את הגרפן לזמן קצר לחומר קוונטי מסוג חדש. לאחר מכן, פולס שני כיוון את זרם האלקטרונים בתוכו. הגרפן הוא שכבה אחת של אטומי פחמן בסידור של חלת דבש. הוא חזק מאוד, כמעט שקוף ומוליך חשמל היטב. במצבו הרגיל הגרפן מתנהג כמעין מתכת. עם זאת, פיזיקאים חזו כבר לפני שנים שאור חזק יכול לשנות את תכונותיו מן היסוד. כעת צוות בהובלת ד"ר עופר נויפלד מהטכניון ופרופ' פיטר הומלהוף מגרמניה הדגים זאת בניסוי. המאמר ראה אור בכתב העת Nature Physics. לדברי החוקרים, זו ההדגמה הראשונה של שליטה פעילה באלקטרונים בחומר טופולוגי שאינו בשיווי משקל. ## כך הופך אור את הגרפן למבודד טופולוגי החוקרים האירו שכבה בודדת של גרפן בפולסי לייזר אינפרה-אדומים באורך גל של 1,550 ננומטר. משך כל פולס היה כ-200 פמטו-שניות, כלומר כשתי עשיריות של טריליונית השנייה. לאור הזה היה קיטוב מעגלי, כלומר השדה החשמלי שלו מסתובב כמו מחוג של שעון. האור המסתובב "הלביש" את האלקטרונים בגרפן. כתוצאה מכך הגרפן הפך זמנית ל"מבודד טופולוגי מסוג פלוקה". בחומר כזה התכונות החשמליות נובעות מהמבנה הגאומטרי של מצבי האלקטרונים. לכן הן יציבות במיוחד ואינן משתנות בקלות בגלל פגמים קטנים. עד היום חוקרים יצרו מצבי פלוקה בעיקר במערכות אור ובאטומים קרים. בחומר מוצק אמיתי איש לא הצליח עד כה לצפות בהם ישירות ולשלוט בהם. ## שליטה באלקטרונים בגרפן בעזרת פולס שני בשלב הבא שלחו החוקרים פולס לייזר שני, באורך גל של 775 ננומטר. לפולס הזה תדר כפול בדיוק מתדר הפולס הראשון. החוקרים קבעו בדיוק רב את התזמון של הפולס השני ביחס לגל הראשון. בעזרת הפולס הזה הם הזיזו את האלקטרונים וכיוונו את הזרם החשמלי בגרפן. התוצאות הראו כמה תופעות בולטות. כאשר שני הגלים הסתובבו באותו כיוון, הזרם הגיע לכ-214 פיקו-אמפר. לעומת זאת, כאשר הם הסתובבו בכיוונים הפוכים, הזרם צנח כמעט פי מאה. החוקרים מייחסים את ההבדל הזה למבנה הטופולוגי שהאור יצר בחומר. בנוסף, האור לבדו יצר זרם שזורם הצידה, בניצב לכיוון הדחיפה. בדרך כלל אפקט כזה, אפקט הול, דורש שדה מגנטי. אולם כאן החוקרים הפיקו אותו באמצעות אור בלבד, בזכות השליטה באלקטרונים בגרפן. יתרה מזו, הזזה של הפולס השני בחצי מחזור של הגל הפכה את כיוון הזרם. כמו כן, החוקרים מצאו שכרבע מהזרם הגיע מ"עמק" אלקטרוני אחד. כלומר, האור הפריד בין שתי משפחות של אלקטרונים בגרפן. יכולת כזו מעניינת את תחום ה"ואליטרוניקה", שמבקש לקודד מידע גם בתכונה הזו של האלקטרונים. ## מה הממצאים מאפשרים ומה עוד לא ידוע החוקרים מציעים לראות בשיטה כלי מדידה חדש, שהם קוראים לו "ספקטרוסקופיית פלוקה הרמונית". הזרם הגיב לשינויים בתוך מחזור בודד של גל האור. משום כך, לדבריהם, השיטה מאפשרת לחקור תהליכים קוונטיים בקנה מידה של אטו-שניות. סימולציות מחשב שערך הצוות התאימו היטב למדידות. החוקרים הדגישו שהסימולציות לא כללו פרמטרים חופשיים שאפשר לכוונן בדיעבד. התאמה כזו מחזקת את הפירוש התאורטי של התוצאות. עם זאת, המאמר מציין כמה שאלות פתוחות. למשל, עדיין לא ברור אם אנרגיה בורחת מהגרפן אל המצע שמתחתיו. המצע עשוי סיליקון קרביד. הפער האנרגטי שהאור פתח בגרפן קטן יחסית, כ-53 מיליאלקטרון-וולט. בנוסף, המצב הטופולוגי קיים רק כל עוד הלייזר מאיר את החומר. "השלכות המחקר חורגות מעבר לגרפן", אמר ד"ר נויפלד. לדבריו, על בסיס הממצאים אפשר יהיה לפתח רכיבים מהירים וחסכוניים יותר. הוא מעריך שהממצאים יסייעו גם למערכות תקשורת, חישה ומחשוב שאפשר יהיה להדליק ולכבות בעזרת אור. ## שאלות ותשובות ### מהו גרפן? גרפן הוא שכבה בעובי אטום אחד של פחמן, בסידור של חלת דבש. זהו אותו חומר שבונה את הגרפיט שבעיפרון, אבל בשכבה בודדת. לגרפן חוזק גבוה ומוליכות חשמלית מצוינת. ### מהו מבודד טופולוגי? זהו חומר שתכונותיו החשמליות נובעות מהגאומטריה של מצבי האלקטרונים בו. בזכות זאת התכונות האלה עמידות לפגמים קטנים. במבודד טופולוגי מסוג פלוקה, אור חזק ומחזורי יוצר את התכונות האלה באופן זמני. ### מה חדש בניסוי הזה? לפי החוקרים, זו הפעם הראשונה שמישהו משיג שליטה באלקטרונים בגרפן במצב טופולוגי שיצר האור. הם הראו גם אפקט הול שנוצר באור בלבד, בלי שדה מגנטי. ### האם נראה בקרוב רכיבים אלקטרוניים כאלה? כנראה שלא בקרוב. אמנם החוקרים מעריכים שהממצאים יאפשרו בעתיד רכיבים מהירים וחסכוניים, אולם זהו ניסוי מעבדה בסיסי. בנוסף, יש עדיין שאלות פתוחות, למשל על תפקיד המצע שמתחת לגרפן. ## המאמר המדעי [Optical control of electrons in a Floquet topological insulator](https://doi.org/10.1038/s41567-026-03429-7), Nature Physics, 2026. DOI: 10.1038/s41567-026-03429-7 ## עוד בנושא באתר הידען - [חוקרי אוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה חסכונית לשליטה בגרפן](https://www.hayadan.org.il/energy-efficient-control-of-graphene-stacking-tel-aviv-university) - [מה בין גרפן לבין מחשוב קוונטי?](https://www.hayadan.org.il/graphene-can-host-exotic-new-quantum-electronic-3012137) - [הקפאת זמן קוונטית בעזרת לייזרים](https://www.hayadan.org.il/quantum-time-freeze) - [מדענים צפו בהיפוך מהיר במיוחד של ספיני אלקטרונים](https://www.hayadan.org.il/ultrafast-spin-switching-antiferromagnetic-mn3sn) - [פריצת דרך: מדידה ראשונה של מבנה אלקטרומגנטי טופולוגי](https://www.hayadan.org.il/topological-metasurface-electromagnetic-breakthrough) מקור: [הודעת דוברות הטכניון (באתר ynet)](https://www.ynet.co.il/environment-science/article/b1kjet53ml) מילים נרדפות לביטוי המפתח: שליטה אופטית באלקטרונים, מבודד טופולוגי מסוג פלוקה, גרפן ולייזר, זרם חשמלי מאור

## שאלות ותשובות

### מהו גרפן?

גרפן הוא שכבה בעובי אטום אחד של פחמן, בסידור של חלת דבש. זהו אותו חומר שבונה את הגרפיט שבעיפרון, אבל בשכבה בודדת. לגרפן חוזק גבוה ומוליכות חשמלית מצוינת.

### מהו מבודד טופולוגי?

זהו חומר שתכונותיו החשמליות נובעות מהגאומטריה של מצבי האלקטרונים בו. בזכות זאת התכונות האלה עמידות לפגמים קטנים. במבודד טופולוגי מסוג פלוקה, אור חזק ומחזורי יוצר את התכונות האלה באופן זמני.

### מה חדש בניסוי הזה?

לפי החוקרים, זו הפעם הראשונה שמישהו משיג שליטה באלקטרונים בגרפן במצב טופולוגי שיצר האור. הם הראו גם אפקט הול שנוצר באור בלבד, בלי שדה מגנטי.

### האם נראה בקרוב רכיבים אלקטרוניים כאלה?

כנראה שלא בקרוב. אמנם החוקרים מעריכים שהממצאים יאפשרו בעתיד רכיבים מהירים וחסכוניים, אולם זהו ניסוי מעבדה בסיסי. בנוסף, יש עדיין שאלות פתוחות, למשל על תפקיד המצע שמתחת לגרפן.