שיתוף פעולה של מדענים ממכון ויצמן למדע, אוניברסיטת תל-אביב, ואוניברסיטאות בינלאומיות נוספות, הצליח למדוד זרימה של אלקטרונים שמתנהגים כמו נוזל צמיג שזורם בצינור. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature.

כשאנחנו מדברים על זרם חשמלי, אנחנו מתכוונים לאלקטרונים שבממוצע נעים בכיוון מסוים. אך למרות המילה זרם, בדרך כלל אין הרבה דמיון בין התנהגות של זרם אלקטרונים לבין התנהגות של זורמים אחרים. כדי להבין מדוע, נבחן זורם אחר שכולנו מכירים - מים.

דמיינו שתי שכבות של מולקולות מים שזורמות אחת מעל השניה, משמאל לימין, כאשר המהירות הממוצעת של המולקולות בשכבה העליונה גבוהה מזו של אלו בתחתונה. תוך כדי שהמולקולות זורמות, הן "רועדות" לכל הכיוונים, לצדדים אך גם למעלה ולמטה, כך שהמולקולות בשכבה העליונה מתנגשות כל הזמן באלו בשכבה התחתונה. כתוצאה מהתנגשויות אלו השכבה העליונה מאיצה במעט את השכבה התחתונה, והשכבה התחתונה מאיטה במעט את העליונה (מעבר תנע בין השכבות). ניתן לחשוב על מעבר התנע בין השכבות כמו על "חיכוך", והדרך שלנו לכמת חיכוך זה היא על ידי גודל שנקרא צמיגות. בנוזל עם צמיגות נמוכה (למשל מים), כמעט שאין חיכוך בין שכבות שונות, ולכן הוא זורם יותר בקלות מאשר נוזל עם צמיגות גבוהה (למשל דבש). נדגיש, שצמיגות היא תכונה של הזורם ולא של המערכת (למשל הצינור) דרכה הוא עובר. מולקולות המים יכולות גם להתחכך בדפנות של מיכל או צינור, ולכן, ברוב המוחלט של המקרים, שכבת הנוזל הכי קרובה לדופן תנוע במהירות של הדופן. תנאי זה נקרא תנאי "אי-החלקה" מכיוון שהנוזל לא יכול "להחליק" על פני דופן המיכל (תוכלו לקרוא עוד על תנאי אי-החלקה בקישור [1]). כאשר נוזל צמיג זורם דרך צינור, מהירות הנוזל בצמוד לדפנות הצינור תהיה אפס (בגלל תנאי אי-החלקה), והיא תלך ותגדל ככל שנתקרב למרכז הצינור, שם היא תקבל את ערכה המקסימלי. זרימה כזאת נקראית זרימת פואזיי (Poiseuille), והיא אחת מהדוגמאות הקלאסיות לזרימה צמיגה.

כעת נחזור לזרם של אלקטרונים. כאשר אלקטרונים זורמים במוליך כלשהו, הם יכולים להתנגש אחד בשני, אך הם יכולים להתנגש גם באטומים שמרכיבים את המוליך ואף באטומים זרים, מסוג שונה מזה של החומר המוליך, שעשויים להיות בכמויות מיקרוסקופיות בגביש - אטומים כאלו נקראים אילוחים או זיהומים. אנחנו משתמשים במילה "להתנגש" כדי לתאר הפרעה לתנועה של האלקטרון, אבל לא מדובר בהכרח על התנגשות של ממש. ל"התנגשות" שכזו, שגורמת לשינוי במהירות או בכיוון התנועה של האלקטרון קוראים בשם הכולל "פיזור". בניגוד לזורמים כמו מים, רוב הפיזור בזרם של אלקטרונים הוא דווקא לא כתוצאה מאינטראקציות בין האלקטרונים לבין עצמם, אלא כתוצאה מאינטראקציות בין האלקטרונים לאטומים בחומר בו הם זורמים. הפיזור הזה אחראי לחלק משמעותי מההתנגדות החשמלית של החומר. בחומר עם התנגדות חשמלית גבוהה, האינטראקציות בין האלקטרונים לבין האטומים משמעותיות. בסופו של דבר, חלק גדול מהאנרגיה שהייתה לאלקטרונים תעבור לאטומים ותהפוך לחום. לכן, גם כאן, נוכל לחשוב על התנגדות חשמלית כסוג של "חיכוך" בין האלקטרונים לבין המוליך. זרימה כזאת, בה חלקיקי הזורם (אלקטרונים) מתפזרים כל הזמן מאטומי החומר המוליך, נקראת זרימה אוהמית (המקיימת את חוק אוהם[2], ושם זה גם ניתן ליחידה המודדת התנגדות בנגדים), והיא מאד שונה מזרימה של נוזל כמו מים. בניגוד לצמיגות, שהיא תכונה של הזורם, ההתנגדות החשמלית היא תכונה של הגוף שדרכו האלקטרונים זורמים. אם מים היו מתנהגים כמו אלקטרונים, אז צמיגותם הייתה משתנה כתלות בצינור שדרכו הם עוברים. 

כבר בשנות ה 60 של המאה הקודמת, פיזיקאים ראו שבטמפרטורות נמוכות האינטראקציה בין האלקטרונים לאטומי החומר המוליך נחלשת, ורוב הפיזור מתרחש בין האלקטרונים לבין האילוחים השונים במוליך. מכאן, שאם נצליח ליצור חומר עם מספר זיהומים קטן במיוחד, אזי בטמפרטורות נמוכות רוב הפיזור יתרחש בין האלקטרונים לבין עצמם. האלקטרונים יעבירו תנע רק ביניהם, בדומה לשכבות המים, מה שיעניק להם סוג של צמיגות [3]. במקרה כזה, זרם של אלקטרונים יתנהג ממש כמו זורם רגיל! 

אחד החומרים שניתן כיום להנדס בקלות יחסית כך שיהיה חף מזיהומים הוא גרפן - שכבה אחת בלבד של אטומי פחמן. על גרפן כתבנו בעבר, בתור חומר מופלא עם תכונות מעניינות נוספות, שאף זיכה את מי שהצליחו לייצר אותו בקלות יחסית - אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב - בפרס נובל [4].

במחקר החדש [5], קבוצת חוקרים בינלאומית (שכללה את אנדרה גיים) התבוננה בזרימת אלקטרונים בגרפן. במאמר, שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature, השתמשו החוקרים במיקרוסקופ מיוחד [שגם עליו כבר סיפרנו לכם - 6] על מנת למדוד את המתח שמפיק זרם האלקטרונים, וממנו להסיק על אופי הזרימה.

בטמפרטורות נמוכות במיוחד (7.5 קלוין או בערך מינוס 265 צלזיוס), מדדו החוקרים זרימה "בליסטית". זרימה זו מתאפיינת בכך שאין פיזורים של האלקטרונים, למעט כאשר הם פוגשים באילוחים במוליך או כשהם מגיעים לקצוות הפיזיים שלו. מבחינה זו, האלקטרונים כאילו נורים מצד אחד של המוליך אל הצד השני ולא עוצרים או משנים את כיוונם אלא בהתנגשות עם "עצם קשיח".

בטמפרטורות מעט יותר גבוהות (75 קלוין), השתנה הפרופיל של המתח הנמדד לרוחב המוליך והפך משטוח - זהה עבור כל המרחקים מהדופן, לפרבולי - באופן שקול למהירות הזרימה של מים בצינור. מכך הסיקו החוקרים שהאלקטרונים אכן זורמים בזרימת פואזיי קלאסית, והתנהגותם בתנאים אלו אינה מתוארת היטב ע"י חוק אוהם. מחקר זה שופך אור על התנהגות יוצאת דופן של זורם אלקטרונים, ויתכן שבעתיד ישמש כבסיס לטכנולוגיות אלקטרוניות חדשות. מתברר שבתנאים הנכונים, גם אלקטרונים יכולים לזרום כמים!

מקורות:

[1] קישור לפוסט על תנאי אי-החלקה והקשר שלו ל….קקי.

[2] חוק אוהם

[3] עבודה מוקדמת על פיזור אלקטרונים

[4] על גרפן באתר מדע גדול, בקטנה

[5] המאמר שפורסם בנייצ'ר

[6] על התגלית הקודמת של אותה קבוצת המחקר