מדעני מכון ויצמן למדע מציגים את המיקרוסקופ הקוונטי המסתובב
אחת התכונות המוזרות ביותר של העולם הקוונטי מתבטאת בכך שחלקיק הוא גם גל – כלומר הוא מתקיים בכמה מקומות בו-זמנית. באופן פרדוקסלי, אם נצפה בחלקיק, נניח אלקטרון, נרתק אותו למקום אחד ונגרום לו לאבד את האופי הקוונטי שלו. מדעני מכון ויצמן למדע הצליחו להתגבר על המוזרות הקוונטית הזאת ותוך כדי כך פיתחו דרך חדשה לצפות בחומרים קוונטיים. במחקר המתפרסם היום בכתב-העת המדעי Nature הם מציגים לעולם את המיקרוסקופ הקוונטי המסתובב – Quantum Twisting Microscope או בקיצור QTM – העוקב אחרי ההתנהגות הגלית של אלקטרונים מבלי לגרום להם לקרוס למצב של חלקיק. טכנולוגיה זו תאפשר ליצור חומרים קוונטיים חדשים בעלי תכונות ויישומים חסרי תקדים, ובו-בזמן לצפות בטבע הקוונטי הבסיסי של האלקטרונים שלהם.
"אנחנו לא שואלים את האלקטרון שאלות אישיות, כמו 'איפה אתה?'", אומר ראש צוות המחקר פרופ' שחל אילני מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון. "אנחנו פשוט מבצעים ניסוי שמאפשר לאלקטרון להיות בכמה מקומות בו-זמנית, וכך אנחנו מצליחים למדוד את ההתנהגות הקוונטית המאוד רגישה שלו מבלי להרוס אותה".
פרופ' אילני מסביר שההתנהגות הגלית של אלקטרונים כבר משמשת בחומרים מתקדמים הקרויים חומרים קוונטיים, כלומר, כאלה שתכונותיהם נקבעות על-ידי תופעות קוונטיות. אך כדי לגרום לאלקטרונים לבצע פעלולים שונים – למשל, על מנת לבנות התקנים אלקטרוניים מסוג חדש – המדענים צריכים להבין מה בדיוק האלקטרונים עושים בחומר. ואין דרך טובה יותר להבין זאת, הוא אומר, מאשר מראה עיניים.
"ביולוגים צופים בתאים בעזרת מיקרוסקופים אופטיים, ואסטרונומים חוקרים כוכבים בעזרת טלסקופים. כעת פיסיקאים יוכלו לבחון חומרים באמצעות המיקרוסקופ הקוונטי שלנו ולתצפת על אלקטרונים בדרך שאינה מתאפשרת עם הכלים הקיימים", אומר פרופ' אילני.
לייצר תמונה קוונטית
היכולת של מדענים לראות אלקטרונים בחומר עברה קפיצת מדרגה לפני כ-40 שנה עם המצאתו של מיקרוסקופ מינהור סורק, שעליו זכו הממציאים בפרס נובל לפיסיקה לשנת 1986. מיקרוסקופ זה סורק באמצעות מחט דקה ביותר את פני השטח של החומר, מזריק לתוכו זרם חשמלי, וכך מייצר בהדרגה תמונה של התפלגות האלקטרונים בחומר.
"ביולוגים צופים בתאים בעזרת מיקרוסקופים אופטיים, אסטרונומים חוקרים כוכבים בעזרת טלסקופים – ופיסיקאים יוכלו מעתה לבחון חומרים קוונטיים באמצעות המיקרוסקופ שלנו", אומרים החוקרים על הטכנולוגיה פורצת הדרך שפיתחו
"מאז ההמצאה הזאת פותחו שיטות רבות ושונות לסריקת החומר בסקאלה תת-אטומית, אך כולן מודדות את תכונות האלקטרונים במקום אחד בכל זמן נתון, כך שהן יכולות לתצפת על אלקטרונים בעיקר בתור חלקיקים; על האופי הגלי ניתן ללמוד רק בעקיפין", מסביר פרופ' עדי שטרן, עמיתו למחלקה של פרופ' אילני. פרופ' שטרן השתתף במחקר יחד עם עוד שלושה פיסיקאים תאורטיים מאותה מחלקה: פרופ' בינגהיי יאן, פרופ' יובל אורג ופרופ' ארז ברג. "המיקרוסקופ שפיתחנו כאן מייצר תמונה קוונטית של התנהגות אלקטרונים בחומר, כלומר מאפשר לייצר באופן ישיר הדמיה של גלי האלקטרוניים הקוונטיים", אומר פרופ' שטרן.
טוויסט חדש על חומרים מסובבים
ה-QTM שאותו בנו אלון ענבר, ד"ר ג'ון בירקבק וג’יוואן שאו במעבדתו של פרופ' אילני הוא כלי חדש לגמרי מבחינה קונספטואלית. אחד הדברים העיקריים המבדילים אותו מסורקים קיימים הוא המחט. במקום מחט בעלת אטום אחד או שניים כמו בסורקים הקיימים, יש כאן משטח ברוחב של כאלף אטומים; מספיק גדול כדי לאפשר לאלקטרונים לזרום עם הטבע הקוונטי שלהם.
המשטח מקנה ל-QTM תפקיד לא פחות חשוב מהאפשרות לתצפת על חומרים: היכולת לשמש כמכונה לייצור מהיר של חומרים קוונטיים חדשים. התפקיד הזה שייך ל"טוויסטרוניקה", תחום חדש בחקר ננו-חומרים שנולד לפני כארבע שנים עם גילוי מפתיע בנוגע לגרפן, יריעה גבישית של פחמן בעובי אטום אחד בלבד. התברר שאם מניחים שתי שכבות גרפן אחת על השנייה בסיבוב קל, או "טוויסט" – ולא בהתאמה מדויקת ומיושרת של רשתות האטומים בשתי השכבות – ה"כריך" שנוצר מקבל תכונות בלתי צפויות. בעקבות תגלית זו החלו מדענים לפתח סוגים שונים של חומרים קוונטיים, כל אחד עם ה"סיבוב" שלו.
זווית הסיבוב התגלתה כמשתנה הקריטי ביותר לשליטה בהתנהגות האלקטרונים בחומרים: שינוי של עשירית המעלה יכול להפוך אותם ממוליך-על אקזוטי לחומר מבודד בלתי שגרתי. אבל קריטי ככל שיהיה, משתנה זה הוא גם הקשה ביותר לשליטה, שכן כל יצירה של זווית חדשה דורשת בנייה של "כריך" חדש, תהליך שיכול לקחת חודשים ארוכים. ה-QTM פותר את הבעיה הזאת בכך שהוא מפריד בין שתי השכבות: שכבה אחת מחוברת למחט המיקרוסקופ הסורק, בעוד השנייה מונחת מתחתיה. ההפרדה מאפשרת למדענים לשלוט באופן מדויק לא רק ברמת הלחץ והמרחק בין שתי השכבות, אלא גם לסובב את המשטח העליון בדיוק רב ובכך לשנות את זווית הסיבוב בין השכבות במהירות ובקלות וליצור מספר כמעט אינסופי של חומרים שאינם קיימים בטבע.
"המוטיבציה הראשונית שלנו הייתה לפתור את בעיית הזווית באמצעות בניית מכשיר חדש שיוכל לסובב כל שני חומרים זה ביחס לזה בצורה נשלטת ומדויקת, וכך לייצר מגוון רחב של חומרים חדשים במהירות", מספר אלון ענבר, הדוקטורנט שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' אילני. "תוך כדי בניית מכשיר זה, גילינו שאפשר להפוך אותו למיקרוסקופ עוצמתי שמסוגל לדמות גלים אלקטרוניים קוונטיים באופן שאי אפשר היה כלל לדמיין לפני כן".
סיבוב ומינהור
אבל כיצד באה לידי ביטוי יכולת הדימות המרשימה של ה-QTM? כדי להשתמש בו כמיקרוסקופ מניחים המדענים שכבה מבודדת חשמלית בין המשטח העליון והחומר הנבחן שמתחתיו, ואז שולחים זרם אלקטרונים דרך שכבה זו. בעולם המוכר לנו, הנשלט על-ידי חוקי הפיסיקה הקלאסית, האלקטרונים לא אמורים לעבור את המחסום שיוצרת השכבה המבודדת. אך בעולם הקוונטי, לפחות חלקם יכולים לעבור – תופעה המכונה "מינהור".
בניגוד למיקרוסקופ מינהור סטנדרטי, שבו אלקטרונים יכולים לחצות רק במקום יחיד, בקצה המחט, הצומת שנוצר במיקרוסקופ ה-QTM הוא משטח דו-ממדי, ולכן האלקטרון יכול לבחור לעבור במספר רב של מקומות. בעולם קלאסי, כל אלקטרון שעובר יחצה במקום אחד מסוים. אבל בעולם הקוונטי, אלקטרון יחיד יחצה דרך כל המקומות ביחד בו-זמנית. בתהליך כזה האלקטרון יכול לשמור על הקיום שלו כגל קוונטי כל עוד לא ניתן לומר היכן הוא חצה. ה-QTM מאפשר לפיכך לבחון ישירות את האלקטרונים במצבם הטבעי בחומר – כגלים קוונטיים – ולא באמצעות הפיכתם לחלקיקים כפי שנעשה בכל המיקרוסקופים עד היום. היכולת הזאת מאפשרת לבחון את צורת הארגון של האלקטרונים בחומר, למפות את החומר מבחינה אנרגטית ולאבחן את דרכי ה"התאבכות" של הגלים, כלומר איך משפיעים הגלים אחד על השני.
"המיקרוסקופ שלנו ייתן למדענים 'עדשה' חדשה כדי לבחון ולמדוד תכונות של חומרים קוונטיים", אומר ענבר. "למעשה, כבר בחנו באמצעות ה-QTM כמה חומרים קוונטיים בטמפרטורת החדר וגילינו תופעות חדשות, אבל כשנקרר מיקרוסקופ זה לטמפרטורות נמוכות יהיה באפשרותנו להגיע לתגליות פורצות דרך לגבי כמה מהאפקטים הקוונטיים המרגשים ביותר".
ככל שנתבונן עמוק יותר לתוך העולם הקוונטי, נגיע לא רק לתגליות חדשות על הטבע, אלא נייצר גם השפעות טכנולוגיות על חיי היום-יום שלנו. העולם הקוונטי כבר דופק לנו בדלת עם טכנולוגיות בהתהוות, החל ממחשבים קוונטיים וכלה בשליטה קוונטית על תהליכים כימיים. ה-QTM מבטיח לזרז את הגעתם של אלה לכדי יישום
