<< לפוסט הקודם בסדרה
 
בקטנה: במאמר שהתפרסם החודש בכתב העת npj Quantum Materials (מבית Nature) מדווח כי מדענים ישראליים בשיתוף עם מדענים מיפן הצליחו למדוד את המבנה המגנטי של חומרים המציגים את אפקט הול החריג הקוונטי, תוך שימוש במיקרוסקופ חדשני. החוקרים הראו כי בניגוד להשערות התיאורטיות ולמסקנות שהוסקו ממדידות אחרות (לא ישירות) - בקנה מידה ננומטרי, החומר אינו הופך למגנטי באופן אחיד.
גילוי זה, יחד עם מדידות חדשות של מבנים בעלי שכבות מגנטיות ולא מגנטיות לסירוגין, יכול להביא להבנה עמוקה יותר של מצב מיוחד של חומר שבו מתרחשת הולכה חשמלית ללא התנגדות: אפקט הול החריג הקוונטי.
 
 
בשנת 2016 ניתן פרס נובל בפיזיקה על ניסוח התיאוריה המתארת "חומרים טופולוגיים", שיכולים להציג מגוון רב של תופעות פיזיקליות מורכבות ומעניינות, שעל חלקן כתבנו בעבר ([1]). אחת התופעות הללו מתרחשת כאשר מוסיפים אטומים בעלי תכונות מגנטיות (כמו למשל כרום ומנגן) לחומרים שהם "מבודדים טופולוגיים" – חומרים שתוכם מבודד חשמלית, אך השפה שלהם מוליכה חשמל ללא התנגדות. הוספת האטומים המגנטיים גורמת להופעתו של אפקט הול החריג הקוונטי, שבו בשכבות דקות של החומר (כעשרה ננומטרים) נוצר זרם חשמלי הזורם ללא התנגדות על ההיקף. כיוונו של הזרם החשמלי נקבע על פי המגנטיות של החומר, אשר ניתנת לשליטה על ידי הפעלת שדה מגנטי חיצוני.
על אפקט הול החריג הקוונטי, ועל אפקטי הול נוספים ניתן לקרוא בפרקים הקודמים בסדרה [2-3].
 
ייחודו של אפקט הול החריג הקוונטי, ומה שהופך אותו למועמד טוב יותר משאר "בני המשפחה" לשימוש בהתקנים חשמליים ומגנטיים עתידיים, היא העובדה שזרם החשמלי יזרום ללא התנגדות על ההיקף גם אחרי שמפסיקים להפעיל את השדה המגנטי החיצוני. זאת אומרת, שאפשר להכין את החומר במצב הרצוי ולאחר מכן אין עוד צורך בשדה המגנטי.

על פי התיאוריה המקובלת המתארת את האפקט הקוונטי, המצב המגנטי של החומר הוא אחיד (כמו מגנט קבוע) וברגע שמופיעה המגנטיות (כעשרים קלווין) - האפקט הקוונטי אמור להופיע. במציאות, האפקט הקוונטי מופיע רק בטמפרטורות נמוכות הרבה יותר - שהגבוהה שבהן שהושגה לאחרונה היא שתי מעלות בלבד מעל לאפס המוחלט. כאשר מחממים את המערכת מעל לשני קלווין, האפקט הקוונטי אובד - למרות שהמגנטיות נשארת.
 
בעבודה זו, שהיא המשך ישיר של עבודה קודמת (עליה כתבנו מעט בעבר - [4]), השתמשו החוקרים במעבדתו של פרופ' אלי זלדוב ממכון וייצמן למדע במיקרוסקופ הייחודי שפיתחו על מנת להתבונן בשדה המגנטי הנוצר על ידי החומר. רגישותו הרבה של המיקרוסקופ לשינויים קטנים מאוד בשדה המגנטי ביחד עם הרזולוציה המרחבית המצוינת אפשרה להבחין בעובדה שבניגוד לתיאוריה המקובלת, השדה המגנטי אינו אחיד כלל, ולמעשה משתנה על פני מרחקים קטנים ממיקרון. חוסר אחידות זו לא נראתה לפני כן בשיטות הדמיה מגנטיות אחרות, מכיוון שאינן רגישות מספיק. הדבר דומה להתבוננות בתמונה מטושטשת, שבה כל הפרטים מוחלקים ומוחלשים.
 
בנוסף לתצפית הבסיסית בנוגע לאופי הלא אחיד של השדה המגנטי של החומר, הצליחו החוקרים להראות גם כי האופן שבו משתנה המגנטיות של החומר כאשר משנים את השדה המגנטי החיצוני שונה ממה שחשבו עד כה. הציפיה לראות אזורים מגנטיים שמתפשטים לאורך הדוגמה כמו כתמי שמן שמתפשטים על פני מים, הוחלפה בהבנה כי ישנם אזורים נפרדים בדוגמה, מעין "איים" מיקרוסקופיים שמחליפים בבת אחת את המגנטיות שלהם מדרום (צבוע בכחול בתמונה המצורפת) לצפון (צבוע באדום). גודלם של האיים נשאר קבוע, ונראה שהם אינם משפיעים זה על זה – איים אינם הופכים את כיוונם לאחר שהאיים השכנים להם הפכו את כיוונם שלהם.
 
במאמר החדש, נערכה השוואה בין חומרים שבהם ייצרו החוקרים מעין "סנדביץ'" של שכבות שבהן אין אטומים מגנטיים ושכבות שבהן יש אטומים מגנטיים, ובין חומרים שבהם האטומים המגנטיים מפוזרים באופן אחיד בכל החומר. חומרי ה"סנדביץ'" הם החומרים בהם נצפה האפקט הקוונטי בטמפרטורה הגבוהה ביותר. טמפרטורה זו, נזכיר, היא רק שתי מעלות מעל האפס המוחלט, אך לעומת החומרים האחידים שבהם הטמפרטורה המרבית בה נצפה האפקט הקוונטי היא מאית מכך (שתי מאיות המעלה), זהו שיפור רב.
מסתבר, שבחומרי ה"סנדביץ'" האיים המגנטיים גדולים משמעותית – יותר מפי 5 – מאשר בחומרים האחידים. בכך מתקרבים חומרי ה"סנדביץ'" לתמונה התיאורטית המצופה, של אזורים מגנטיים גדולים ואחידים. למרות זאת, בדיקה כמותית מדוקדקת מראה שכדי לקבל את אותה הולכה ללא התנגדות, יותר מ-95% מהאיים צריכים להתיישר זה עם זה ולהצביע לאותו הכיוון המגנטי – מספר גבוה בהרבה מהמצופה מהקבלה לבעיות דומות בפיזיקה (פרקולציה).
 
המדידות שנעשו עם המיקרוסקופ החדשני הניבו תוצאות מפתיעות, שקראו תיגר על הפירוש המקובל למדידות האחרות שנעשו בעבר. העבודה החדשה מציעה הן הסבר אפשרי לטמפרטורה הנמוכה כל כך שנדרשת להופעתו של האפקט הקוונטי והן מידע נוסף שיכול לסייע בניסוח הסבר חדש ונכון יותר למנגנון שיוצר את המגנטיות במבודדים טופולוגיים.
 
התקדמות בהבנת שבריריותו של האפקט וסיבה אפשרית לכך שהוא אינו שורד בטמפרטורות גבוהות על אף שהחומר מגנטי בהן, יכולה להביא (אם כי בעתיד הרחוק) להנדסת חומרים שיציגו את האפקט גם בטמפרטורות גבוהות יותר, מה שיהפוך את היישומים האפשריים ל... ובכן... אפשריים.
מעבר ליישומים, עמידה על טבעו של המצב המגנטי של מבודדים טופולוגיים שהוספו להם אטומים מגנטיים חשובה מאוד להבנה של האפקט הקוונטי כפי שהוא מתרחש בחומרים אלה, ובאופן כללי יותר לאינטרקציה בין האטומים המגנטיים לאלקטרונים במצבי השפה המיוחדים של מבודדים טופולוגיים.
 
<< לפוסט הקודם בסדרה
 

מקורות:

1. פוסט של מדע גדול, בקטנה, על פרס נובל בפיסיקה לשנת 2016.
2. סדרת אפקט הול חלק 1
3. סדרת אפקט הול חלק 2
4. פוסט של אלה לכמן על עבודתה המדעית, לרגל יום האישה הבינלאומי 2017.
5. קישור למאמר: (גישה חופשית)