מתכות-למחצה של וייל (Weyl semimetals), הם חומרים מוליכים, בעלי תכונות הולכה מפתיעות ושונות בתכלית מתכונות ההולכה של מתכות רגילות. תכונות אלו הן תוצאה של דמויי חלקיקים ("קוואזי חלקיקים") יוצאי דופן, הנקראים "פרמיונים של וייל" המתקיימים בתוך החומר. בפוסט הקודם הסברנו מהם "פרמיוני וייל". כעת נסביר מה כל כך מיוחד בדמויי המתכות של וייל? וכיצד קיומם של "פרמיוני וייל" בדמויי המתכות משפיע על תכונות ההולכה שלהן?

מתכות-למחצה של וייל שייכות למשפחה של חומרים הנקראים "חומרים טופולוגים". מאפיין בולט של חומרים אלה הוא שתכונות הולכת פני-השטח שלהם שונות באופן מהותי מתכונות ההולכה של פנים החומר. במילים אחרות - "אין תוכם כברם". דוגמא לחומר כזה הוא "מבודד טופולוגי". זהו חומר שה"בפנוכו" שלו הוא מבודד (כמו פלסטיק או עץ) אולם על פני השטח הוא מוליך חשמל (כמו נחושת או כסף). לכאורה, דומה הדבר לכדור פלסטיק אשר עטוף במעטפת נחושת. ההבדל הוא שב"מודל המזוייף" של פלסטיק עטוף נחושת, אם נסיר את מעטפת הנחושת המוליכה נשאר עם כדור פלסטיק שהוא מבודד מוחלט גם ב"תוכו" וגם ב"ברו". לעומת זאת, אם נגלף את המעטפת של מבודד טופולוגי אמיתי, עדיין נשאר עם גוף חומר מבודד ושפה מוליכה. הסיבה היא שתכונה של פנים החומר, מחייבת את המעטפת שלו להיות מוליכה. כל עוד לא נשנה את החומר, משמע את היסודות ממנו הוא מורכב או המבנה הסריגי שלו, לא נוכל "להפטר" מהמעטפת המוליכה. המשמעות של זה היא אדירה - זה אומר שתכונות הולכת פני השטח של חומרים טופולוגיים הן עמידות מיסודן. הן מוגנות! הן אינן מושפעות מזיהומים או הפרעות אחרות המשפיעות באופן ניכר על הביצועים של מוליכים רגילים. תכונה זו היא בעלת חשיבות נעלה לצורך בניית התקני חישוב אלקטרוניים הנמצאים בסביבה מלאת "הפרעות" המאיימות על ביצועיהם.

במתכות-למחצה של וייל קיימים מסלולי הולכה עמידים כאלה הנקראים "קשתות פרמי". את שמם היפה הם קיבלו הודות לצורתם הייחודית. ניתן לאפיין חומרים על ידי מסלולים המתארים את ערכי התנע האפשריים של נושאי המטען בחומר. בעוד בחומרים רגילים אלו מסלולים סגורים, "קשתות פרמי" הן בצורת קשת. היפה הוא שבדומה לקשת בענן, המגיחה ביום חורף שמשי, ומספרת לנו על קיומן של טיפות מים באוויר (השוברות את אור השמש לספקטרום צבעוני), כך "קשתות פרמי", הנמצאות ונושאות זרם חשמלי על שפת החומר, מספרות לנו על קיומם של "פרמיוני וייל" (שאותם הכרנו בפוסט הקודם) בגוף החומר. זאת מכיוון שהמצאותן של "קשתות פרמי" על שפת החומר נובעת כל כולה מקיומם של "פרמיוני וייל" בתוך גוף החומר. כלומר - בניגוד להמלצתו של רבי יהודה הנשיא ששלח אותנו לבדוק כל דבר ואדם על פי תוכנו ולא על פי חיצוניותו, כשמדובר במתכת של וייל מספיק לנו "להסתכל על הקנקן כדי לדעת מה יש בו". ואכן "קשתות פרמי" הניתנות למדידה במעבדה, מעידות על קיומם של "פרמיוני וייל" ומהוות את טביעת האצבע הטופולוגית של החומר.

מעבר לכך שמתקבלת מערכת אלקטרונית יפה ומרתקת, יחסי ההדדיות בין פני השטח, הנושאים "קשתות פרמי", ופנים החומר, המאופיינים על ידי "פרמיוני וייל", יוצרים התנהגויות הולכה מפתיעות שלא ניתן לקבל בחומרים מוליכים רגילים. דוגמא להתנהגות כזו מתקבלת, למשל, כאשר משרים על מתכת-למחצה של וייל שדה מגנטי. כתוצאה מכך יווצרו בחומר מסלולי זרם מחזוריים הנעים בין פני השטח אל פנים החומר במעין מחול מתוזמר היטב. נושאי המטען החשמלי ינועו על פני השטח של החומר, בשלב מסויים הם יצללו אל תוך החומר, ימשיכו ויגיחו מצידו השני של החומר, ינועו חזרה על פני השטח הנגדיים ולבסוף יצללו שוב אל תוך החומר לסגירת המסלול. מסלולים מחזוריים אלו מתקבלים ללא הפעלת מתח חשמלי, ותדירותם תלויה בחוזקו של השדה המגנטי החיצוני. מעבר להתנהגותם הייחודית, מסלולי הולכה אלה הופכים את המתכת-למחצה של וייל למסנן קרינה המעביר קרינה אלקטרומגנטית בתדירות הנשלטת על ידי השדה המגנטי החיצוני [2]. בדומה לחומרים מוליכים רגילים, גם מתכות-למחצה של וייל, בהיותן מוליכות, מסככות קרינה אלקטרומגנטית המושרית בניצב לפני החומר. אולם, אם תדירות הקרינה המושרית נמצאת בתהודה עם תדירות מסלול הזרם המחזורי, המתכת-למחצה של וייל תהיה שקופה לקרינה, ותהווה מסנן קרינה אשר תדירות קרינת המעבר שלו תלויה בתכונות החומר, אך ניתנת לשינוי בעזרת שדה מגנטי חיצוני.

מסתבר שלא רק הולכת החשמל כי אם גם הולכת החום של מתכות-למחצה של וייל, בנוכחות שדה מגנטי, הינה מפתיעה וייחודית. במתכת רגילה, נחושת למשל, אם נחמם את קצהו האחד של חוט נחושת ביחס לקצהו השני, האלקטרונים בחוט ינועו מהקצה החם אל הקר, ובהיותם חלקיקים טעונים, יעבירו עימם במסעם גם חום וגם מטען. כלומר, יווצר בחוט הנחושת זרם אלקטרונים הנושא עימו גם מטען חשמלי וגם חום. לעומת זאת, במתכות-למחצה של וייל חימום קצהו האחד של החוט יכול לגרום להיווצרות סוג חדש של גל אקוסטי של "פרמיוני וייל" [3,4], הנע גם הוא מהאיזור החם אל האיזור הקר, אבל מעביר עימו רק חום אך לא מטען. ביטול המטען נובע מהתכונות האלקטרוניות הייחודיות של המתכות-למחצה של וייל, המתנהגות שונה מאחיותיהן "המתכות הרגילות". מה שמעניין עוד יותר הוא שהגל הנוצר מתקדם רק בכיוון השדה המגנטי המושרה על החומר, ומהירותו תלויה בחוזקו של אותו שדה חיצוני. הדבר מאפשר לשלוט בעזרת שדה מגנטי חיצוני על כיוונו ומהירותו של אותו גל אקוסטי, ועל הדרך, גם על מוליכות החום בחומר. כלומר, מעבר לעובדה שאנחנו יכולים גם "לשמוע" את ה"קוואזי פרמיונים של ווייל", זה מעלה את האפשרות של פיתוח התקנים אלקטרוניים המאפשרים לשלוט במוליכות החום בעזרת שדה מגנטי חיצוני.  

אז קיבלנו הצצה חטופה לעולמן האקזוטי של מתכות-למחצה של וייל, המרתקות גם "על פני השטח" וגם ב"פנימיותן". מעבר לפיזיקה העשירה הנובעת מהתכונות האלקטרוניות הלא טריוואליות שלהם, חומרים אלה מהווים קרקע פוריה לפיתוח התקנים-קוונטיים אלקטרוניים ואופטיים, בעלי יכולות חדשות וייחודיות. מתכות-למחצה של וייל, יחד עם חומרים קוונטיים נוספים, מהווים כיום תחום מחקר פורה שעושרו הפיזיקאלי והשלכותיו התיאורטיות והמעשיות עוד רחוקים מכדי מיצוי.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] פרמיונים של וייל

[2]  Yuval Baum, Erez Berg, S. A. and Ady Stern, Current at a Distance and Resonant Transparency in Weyl Semimetals Phys. Rev. X 5, 041046 (2015) 

[3]   Z. Song and X. Dai, “Hear the sound of Weyl fermions,” Phys. Rev. X. 9, 021053 (2019 Phys. Rev. X 5, 041046

[4]  . J. Xiang et al., “Giant magnetic quantum oscillations and chiral anomaly in the thermal conductivity of a Weyl semimetal,” arXiv:1801.08457