צוות בינלאומי בהובלת חוקרים ממכון וייצמן ובראשם פרופ' שחל אילני הצליח לראשונה "לצלם" סידור גבישי של אלקטרונים בתוך חומר. בכך הושג אישוש לתיאוריה החוזה שבתנאים מסוימים אלקטרונים יסתדרו לכדי גביש - תיאוריה בת כמעט מאה שנים. צילום גביש האלקטרונים נעשה על ידי חיישן שמהווה פריצת דרך טכנולוגית. החיישן הוא ננו-צינורית פחמן שבה כלוא אלקטרון יחיד שבו משתמשים כדי לחוש באלקטרונים המרכיבים את הגביש. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Science במאי השנה.

גבישים נוצרים בטבע כשהאטומים שמרכיבים את החומר מסתדרים במבנה מחזורי: אפשר לדמיין את האטומים כמו כדורים שמסתדרים במרחקים קבועים אחד מהשני. הסדר הזה הוא מה שמגדיר את המצב הגבישי המוצק, וכשהגביש עובר למצב צבירה נוזלי, המבנה המחזורי המסודר מתפרק, והמרחקים בין האטומים נהיים לא סדירים. אבל איך המרכיבים של האטומים - הגרעין והאלקטרון, מסתדרים בגביש? מיקום הגרעינים הוא זה שמגדיר את הגביש - גרעיני האטום ורוב האלקטרונים שסביבם מסודרים במבנה מחזורי. ומה עם שאר האלקטרונים? במתכות למשל, חלק מהאלקטרונים יכולים להתרחק מהגרעין, וליצור גז או נוזל של אלקטרונים ש"זורמים בחופשיות". למעשה, האלקטרונים האלו הם מי שאחראים להולכה החשמלית של מתכות. אבל האם האלקטרונים עצמם יכולים גם הם לשנות מצב צבירה ולהפוך מ"גז של אלקטרונים" ל"גביש של אלקטרונים"?

בשנת 1934, פיסיקאי בשם יוג'ין ויגנר חזה שלמרות האמור לעיל, גם האלקטרונים עצמם יכולים ליצור מבנה גבישי מסודר בתוך החומר, והתחזית התיאורטית שלו זכתה לכינוי "גביש ויגנר". התחזית של ויגנר קבעה שגביש האלקטרונים יווצר באופן ספונטני בתנאים של צפיפות וטמפרטורה מספיק נמוכים. הגביש הזה נוצר בגלל דחייה חזקה בין האלקטרונים השליליים: כששני אלקטרונים מתקרבים זה לזה, אנרגית הדחייה החשמלית ביניהם עולה. במקרים מסוימים, יהיה משתלם יותר אנרגטית לאלקטרונים להתמקם במרחקים קבועים זה מזה. בצורה כזו, כל אלקטרון שומר על מרחק גדול משכניו - גדול יותר מאשר המרחק המינימלי כאשר האלקטרונים "מתפרשים" בחומר. זה קורה כאשר אנרגית הדחייה בין האלקטרונים גדולה מהאנרגיה הקינטית שעולה להם להתמקם. במשך עשורים, הצטברו עדויות עקיפות רבות לקיומו של גביש האלקטרונים. למשל, נצפו שינויים בהולכה החשמלית של חומרים בתנאים בהם היה צפי להיווצרות הגביש. אבל, אף אחד מעולם לא סיפק את ההוכחה הישירה ביותר לקיום גביש ויגנר: "צילום" של אלקטרונים שהסתדרו במבנה מחזורי.

למה לא בעצם? קיימות טכנולוגיות חדישות שמאפשרות דימות ברזולוציות שקטנות מגודל אטום בודד. אבל הבעיה בשיטות האלה, היא שהמדידה מתבצעת בעזרת "מחט" מתכתית זעירה שעוברת בסריקה על פני השטח של החומר [1]. אם אנחנו מעוניינים "לצלם" גביש של אלקטרונים, זה אומר שבין האלקטרונים בחומר ישנה דחייה חזקה (כי אחרת לא היה נוצר הגביש). לאלקטרונים בגביש תהיה גם דחייה חזקה מהאלקטרונים שנמצאים במחט שבה משתמשים כדי לבצע את המדידה. בצורה הזאת, עצם המדידה תשפיע על המערכת שרוצים למדוד ותהפוך את המדידה ללא מהימנה.

הפתרון שפותח בקבוצת המחקר של פרופ' שחל אילני [2] היה ליצור "מחט" כזו לסריקה שעשויה ממולקולה בודדה. המולקולה שהשתמשנו בה הייתה ננו-צינורית פחמן – צינורית דקה וארוכה, בקוטר של ננומטר ובאורך של מיקרומטר, שעשויה מאטומי פחמן [3,4]. בעזרת קביעה מדוייקת של המתחים החשמליים על הננו-צינורית, יכולנו לשלוט במדוייק על המטען שהיא נושאת, ולוודא שהיא טעונה באלקטרון אחד בלבד. החומר שבחרנו לסרוק עם הגלאי הזה היה ננו-צינורית פחמן נוספת, שהוטענה גם היא באמצעות הפעלת מתחים חשמליים חיצוניים, אבל במספר גדול יותר של אלקטרונים. האלקטרונים בננו-צינורית הנסרקת היו אלו שרצינו "לצלם" ולבדוק אם יצרו גביש.

במהלך הניסוי, מזיזים באמצעות מערכת הנעה ננומטרית את הננו-צינורית שמשמשת במקרה הזה כגלאי לאלקטרונים, וסורקים אותה מעל הננו-צינורית השניה שבה נוצר גביש האלקטרונים. בפעולה זו, מטען של אלקטרון יחיד למעשה נסרק לאורך גביש האלקטרונים שרוצים למדוד. המטען הקטן הזה לא משנה את המרחקים בין האלקטרונים בגביש, כך שנוכחות הגלאי לא משנה את התמונה שרוצים למדוד. בניסוי מדדנו שינויים זעירים באנרגיית הדחיה בין גביש האלקטרונים לאלקטרון שסרקנו מעליו. כשהאלקטרון בגלאי נמצא בדיוק מעל אלקטרון בגביש, אנרגיית הדחייה ביניהם גדלה מעט, וכשהוא בנקודה בין שני אלקטרונים אנרגיית הדחייה קטנה. השיטה הזו מאפשרת לקבל תמונה מרחבית של האלקטרונים בחומר. למעשה, היא איפשרה "צילום" ראשון של גביש אלקטרונים בתוך חומר, ואיששה את התחזית של ויגנר [5].

מאת ד"ר אילנית שפיר, ידידת העמותה וממחברי המאמר.

קישורים לקריאה נוספת ומקורות:

[1] על מיקרוסקופ מינהור סורק באתר מדע גדול, בקטנה

[2] אתר הקבוצה של פרופ' שחל אילני

[3] עוד על ננו-צינוריות פחמן באתר מדע גדול, בקטנה

[4] עוד על גרפן באתר מדע גדול, בקטנה

[5] המאמר המקורי: https://science.sciencemag.org/content/364/6443/870.abstract