תצפית בבר-אילן הניבה תוצאות מפתיעות בתחום של מוליכות חומרים

ניסוי שנערך במחלקה לפיזיקה בבר-אילן, בקבוצת המחקר של פרופ’ בינה קליסקי, באמצעות חיישן ייחודי המפותח על ידי החוקרים, תיעד תופעה השוברת מוסכמות בתחום של מעבר חומר ממוליך למבודד. התצפית במכשור הרגיש הראתה שאם מסתכלים מקרוב מאוד, מגלים שחוק שנחשב אוניברסלי מפסיק להתקיים

טכנולוגיה למחקר נסיוני שקיימת במעבדות בודדות בעולם אפשרה לחוקרים במעבדת פרופ’ בינה קליסקי להראות שחוקים, שעד כה נחשבו לאוניברסליים, נשברים כשמתבוננים בהם ברמת המיקרוסקופית. כאשר חומר מתקרב למעבר פאזה, כלומר למעבר ממצב של מוליך למצב של מבודד, מצופה שלזרם חשמלי שעובר בו תהיה צורה של פרקטל, כלומר שייראה אותו דבר בזום אין ובזום אאוט. פרקטלים עם מבנים דומים מופיעים במערכות שונות מאוד זו מזו החל במעבר של זרם חשמלי דרך חומר מוליך, עבור לחלחול של מים באדמה או של קפה דרך פילטר, ועד להתקדמות של אש ביער. המחקר פורסם בכתב העת המדעי nature communication.

המשמעות האוניברסליות של החוק הזה היא שמבנה הפרקטל אינו קשור לתכונות המיקרוסקופיות של המערכת אלא לדברים כלליים יותר. אפשר לדמות את זה לחלחול מים שנראה אותו דבר בשני סוגים של קרקע. הזרם עוקף מכשולים בדרך הקצרה ביותר ומתפתל הלאה. מחקר שהוביל הדוקטורנט אילון פרסקי, בשיתוף עם חוקרים מאוניברסיטאות דלפט וסטנפורד, הראה שברמה המיקרוסקופית החוק האוניברסלי עשוי להפסיק להתקיים.

הניסוי של פרסקי בוצע במערכות אלקטרוניות דו-ממדיות – שכבה דקה מאוד של חומר, שניתן לגרוע ממנה אלקטרונים בהדרגה. כשצפיפות האלקטרונים מספיק נמוכה, ההולכה החשמלית נפסקת. זאת שיטה ידועה לשליטה במוליכות של חומרים, שבמהלכה מתקיים מה שמכונה בפיזיקה “מעבר פאזה”, כלומר מעבר של החומר מהתנהגות אחת – מתכת מוליכה להתנהגות שנייה – חומר מבודד. חוקרי המעבדה ציפו שבצפיפות הקריטית, בשלב המעבר בין הפאזות, יקרו דברים מעניינים. הם צדקו.

התווך שבתוכו עובר הזרם בניסוי הוא ממשק בין שני חומרים שהם סוג של קרמיקה, כל אחד הוא מבודד בפני עצמו. לצורך התצפית יוצרים ממשק בין שתי קרמיקות שונות. הממשק נוצר על ידי גידול שכבות אטומיות בודדות של חומר אחד על החומר האחר. האלקטרונים מצטברים בקו התפר בין שני החומרים וכך נוצרת שכבה מוליכה. הזרימה החד-ממדית נוצרה בגלל שהאלקטרונים בסנדוויץ’ של שכבות הקרמיקה מושפעים מהמבנה הגבישי שלהן. הפסים החד-ממדיים הם פגמים בגביש. “זה סוג מיוחד של פגמים,” פרסקי מסביר. “אפשר לדמיין אותם כמו החריצים שעושים בלחם לפני האפייה ואז כשהוא מוכן יש בו שקע. הדברים האלה יוצרים מעבר שאינו אוניברסלי. זה שונה ממה שציפו כי זה אומר שהמעבר תלוי במאפיינים המיקרוסקופיים של המערכת ולא רק בתכונות כלליות שנכונות להרבה סוגים של חומרים.”

האם זרימת אלקטרונים אינה אוניברסלית אלא תלויה בפרטים המיקרוסקופיים של המערכת?

“התגלית היא שבמערכת שעליה הסתכלנו האוניברסליות הזאת נשברה. מרחוק המעבר נראה אוניברסלי אבל מקרוב לא,” פרסקי מסביר. “גילינו שמשהו אחר קורה. במקום פרקטל, שהוא מבנה מפותל, ראינו שהזרם בהרבה מקומות זורם בקווים ישרים. הקווים האלה נוצרים בגלל פגמים מיקרוסקופיים בגביש – בקרמיקה – שמארחת את האלקטרונים. זה אומר שזרימת האלקטרונים אינה אוניברסלית אלא תלויה בפרטים המיקרוסקופיים של המערכת. יש מעבר מזרימה דו-ממדית לזרימה בקווים חד-ממדיים ישרים.” אפשר לדמיין את זה כמו עלה שצף על פני מים בנחל שהתוואי שלו טבעי. הוא שט לאטו בפיתולים הפרקטליים של הערוץ, ופתאום מגיע לתעלה ישרה, שנגרמה בשל שיבוש כלשהו, שהזרימה בה מהירה.

“בנוגע לסוגי החומרים היו מספר שאלות פתוחות בעקבות ניסויים קודמים שלנו ושל אחרים,” מסביר פרסקי. “בגדול הייתה תמונה די מסודרת של איך המעבר אמור להיראות כתוצאה ממדידות אחרות (למשל ממדידת ההתנגדות של הדגם) אבל בתוך התמונה הזאת היו פרטים שלא מסתדרים – למשל דגמים שונים מתנהגים בצורות שונות, לכל דגם נקודה קריטית משלו, כתלות בגודלו ועוד. המוטיבציה שלנו הייתה לנסות לתת תמונה מיקרוסקופית שתסביר את כל הפרטים האלה. ובאמת התגלית – שהמעבר לא אוניברסלי ותלוי בפגמים – פותרת את הבעיה: בכל חומר הפגמים מסודרים בצורה שונה ומסתבר שזה מאוד משפיע על המעבר.

זרם חשמלי מייצר שדות מגנטיים, וחיישן רגיש מאוד לשדות מגנטיים המפותח במעבדת קליסקי מצלם תמונות מיקרוסקופיות של השדה המגנטי, מהן ניתן היה להסיק את תמונת הזרם החשמלי. “זאת יכולת שיש אותה למעט מאוד קבוצות בעולם, שמאפשרת לעקוב מקרוב ובמדויק אחר השתנות השכבה המוליכה עד השלב הקריטי. בכל נקודה אנחנו יכולים להגיד כמה זרם עבר. זה משהו ייחודי שאפשר לנו להגיע למסקנות,” אומר פרסקי.

משמעות התגלית היא שאם מתכננים מכשירים אלקטרוניים שעושים שימוש בשכבות הקרמיות צריך לקחת בחשבון שתתקיים זרימה חד-ממדית. יכול להיות שניתן יהיה לנצל את הזרימה החד-ממדית כדי לייצר רכיבים יעילים יותר, או עם תכונות ייחודיות. ברמה כללית יותר זה אומר שבכל מעבר פאזה צריך לבחון היטב את הרמה המיקרוסקופית ולראות אם הוא אוניברסלי או יש בו תכונות ייחודיות.

במערכות כמו התקדמות של אש בשריפת יער המושפעת מצפיפות העצים, חלחול של מים באדמה המושפע מגודל הגרגרים או מעבר של קפה בפילטר שתלוי בסיבי הנייר עשוי להיות אזור של זרימה לא צפויה ומהירה יותר. “ביער קל לזהות את זה, אך במערכות של אלקטרונים זה מסובך יותר. לא מספיק לדעת אם המערכת מוליכה או לא – צריך להיכנס לתוך השטח ולצלם את האלקטרונים. פרטים מיקרוסקופיים עשויים לשנות התנהגות ברמה הגלובלית,” מסכם פרסקי.

קישור למאמר המלא