ההנאות המפתיעות של הפיזיקאים התאורטיקאים

פרופ' אפרת שמשוני מהמחלקה לפיזיקה בבר-אילן הצטרפה למכון לננוטכנולוגיה בשנת 2015. היא מפתחת תיאוריות, עורכת תחזיות ומחפשת רמזים להבנת תופעות פיזיקליות. כאן תקבלו הצצה לאירועים היחודיים בקריירה של הפיזיקאים התאורטיקאים, שמחקרם מתרכז בחיפוש אחר מצבי צבירה חדשים של חומר קוונטי.

פרופ' אפרת שמשוני השלימה תואר ראשון באוניברסיטה העברית ותואר שני ושלישי במכון וייצמן. לאחרי שסיימה פוסט דוקטורט באוניברסיטת אילינוי, היא קיבלה מינוי אקדמי באוניברסיטת חיפה ומאוחר יותר הצטרפה לסגל המחלקה לפיזיקה בבר-אילן.

מאז שפצחה בקריירה אקדמית, שמשוני נמשכה לתחום התופעות הקוואנטיות בתכונות הפיזיקליות של חומרים. מחקרה עוסק בדרך בה אינטראקציה בין

אלקטרונים משפיעה על היווצרות פאזות חומר חדשות. "אחת מהמטרות העיקריות שלנו היא למצוא חומרים שבהם שינוי קל ביותר בתנאים החיצוניים משנה לחלוטין את יכולות המוליכות שלהם," היא מסבירה. "היינו רוצים לנבא את התנהגותם מראש."

פיזיקאים תיאורטיים משתמשים בכלים מתימטיים ומושגי יסוד כדי להסיק מסקנות לגבי תופעות טבע. הם בדרך כלל עובדים בשיתוף פעולה עם פיזיקאים ניסויים העורכים ניסויי מעבדה ומודדים כיצד תנאים שונים משפיעים על התנהגות חומר. תוצאות אלה הם משווים למודלים התיאורטיים. שמשוני אומרת שהרגעים המרגשים ביותר עבור פיזיקאים תאורטיים הם כשקורים דברים בלתי צפויים. התרחשות כביכול חסרת חשיבות כמו תוצאת ניסוי לא צפויה גורמת לשמשוני לחפש אחר הסבר מדעי לתוצאה כזו, ולפעמים חיפוש כזה מוביל לגילויים חשובים ומפתיעים.

גילוי מהפכני על חודו של עיפרון

גרפן הוא גביש בעל מבנה של חלת דבש, המורכב מאטומי פחמן היוצרים ממברנה בעובי אטום יחיד. השכבות הדקיקות הללו המונחות זו מעל זו הן אבני הבנין של גרפיט – החומר ממנו עשויים עפרונות. בשנת 2010 אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב זכו יחד בפרס נובל בפיזיקה בזכות הישגם המהפכני – הפרדת גרפיט לשכבות יחידות, באמצעות שימוש מבריק בנייר דבק. הפרדת השכבות אפשרה להם ולמדענים שבאו בעקבותיהם למדוד את תכונות המוליכות המיוחדות של גרפן, שבהן באות לידי ביטוי תופעות פיזיקליות אשר עד אז ניתן היה לצפות בהן רק באמצעות מאיצי חלקיקים. פחמן, הבסיס לקיומם של כל האורגניזמים החיים על כדור הארץ, שוב הצליח להפתיע את המדע.

"מזמן ידענו שמוליכות חשמלית היא תוצאה של תנועת אלקטרונים- חלקיקים בעלי מסה ומטען חשמלי," אומרת שמשוני. "אבל במפתיע, האלקטרונים בגרפן מתנהגים כמו חלקיקים חסרי מסה. חוקי התנועה שלהם ניתנים לתיאור באמצעות משוואת דיראק, המודל התיאורטי המשלב את עקרונות תורת היחסות של איינשטיין עם מכניקת קוונטים. לפיכך, אלקטרונים בגרפן מגיבים לשדות אלקטרומגנטיים בצורה שונה מאד מאשר אלקטרונים במוליכים רגילים. במובן מסויים, התנהגותם דומה יותר לזו של קרני אור, למרות שמהירותם נמוכה בהרבה ממהירות האור," מסבירה שמשוני.

"כמו תיאורטיקנים רבים אחרים, הסתקרנתי מההשלכות הפוטנציאליות של גילוי זה, ותצפיות נוספות מניסויים בגרפן. בייחוד עניינה אותי המוליכות החשמלית המשונה של הגרפן שנצפתה בשדות מגנטיים חזקים –ביכולתו להשתנות ממוליך כמעט מושלם לחומר מבודד לחלוטין בהשפעת שינוי זעיר בעוצמת השדות המופעלים עליו," משתפת שמשוני.

פאזה חדשה נולדה

"במחקר שערכנו לאחרונה, מצאנו שבנוכחות שדה מגנטי ושדה חשמלי, גרפן מציג מגוון רחב של "פאזות" (מצבים שונים של אותו חומר). פאזות אלה הן בעלות רמות מוליכות שונות מאד, התלויות בסידור האלקטרונים בתוך הגביש. גילינו ששינוי החוזק של אחד מהשדות גורם למעבר מפאזה אחת לאחרת – תהליך דומה לשינוי במצב הצבירה של חומר ממוצק-לנוזל-לגז כשמשנים את הטמפרטורה או הלחץ שלו," אומרת שמשוני.

מחקרים קודמים על השפעות שדות מגנטיים וחשמליים כאלה על גרפן דו-שכבתי הראו שהוא מתנהג כמעט תמיד כמבודד, כאשר יש לו שתי פאזות מבודדות מובחנות היטב: אחת שבה ה"ספינים" של האלקטרונים (מעין מגנטים זעירים הצמודים להם) יוצרים דפוס סידור מגנטי, והשניה שבה סידור האלקטרונים בגביש יוצר תבנית של קטבים חשמליים. שתי הפאזות הן בעלות מוליכות נמוכה, וקיים "מעבר פאזה" ישיר ביניהן.

אבל כפי ששמשוני מציינת, ניסויים מדעיים עדכניים הוכיחו שתחת תנאים מעט שונים, קיים תחום ביניים של עוצמות השדות המגנטיים והחשמליים שבו שכבת הגרפן הופכת למוליכה (תמונה 1). גילוי זה הוביל את שמשוני וצוותה לשאול: האם גילינו פאזה חדשה שלא זוהתה במחקרים קודמים?

"השתמשנו במודל תיאורטי כדי להוכיח שפאזה נוספת כזאת אכן קיימת. היא מאופיינת ע"י מצב שבו הן כיוון הספין של האלקטרונים, והן מיקומם על אטומי הגביש לא מוגדרים בוודאות," מצהירה שמשוני. "ניתן להדגים זאת באמצעות הפרדוקס של שרדינגר, שעל פיו בעולם הקוונטי חתול יכול להיות חי ומת בו זמנית. הפאזה החדשה (המכונה בתמונה 1 "מתכת חדשנית") היא מוליכה חשמלית, בהתאם לתצפית הניסיונית."

על פי שמשוני, רגישות כזו לשינויים זעירים בתנאים חיצוניים היא אחד הסמנים העיקריים לתופעה של מעבר פאזה. מניפולציות קלות שגורמות לשינויים דרמטיים במוליכות מציגות אפשרויות מרגשות חדשות ליישומים פוטנציאליים כגון חיישנים מדויקים במיוחד, התקני אחסון ושליפה של נתונים, ועוד.