אומתו מאפייניו האלקטרוניים של החומר גרפן

מסתבר שהגרפן אינו רק החומר הזעיר ביותר האפשרי, אלא שהוא גם חזק יותר פי עשרה מפלדה ומוליך חשמל טוב יותר מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר .

בראשית, היו אלו הפרודות בצורת כדורגל שכונו כדורי-באקי (פולרנים). לאחר-מכן היו אלו ננו-צינורות בצורת גלילים. כעת, החומר החדש המרתק ביותר בפיסיקה ובננוטכנולוגיה הינו גרפן – פרודה שטוחה מאוד המורכבת מאטומי פחמן המאורגנים בתבנית של טבעות משושות.

לא רק שזהו החומר הזעיר ביותר האפשרי, אלא שהוא גם חזק יותר פי עשרה מפלדה ומוליך חשמל טוב יותר מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר. תכונות אלו של הגרפן, ומאפיינים מרתקים נוספים שלו, הם שמשכו את תשומת ליבם של פיסיקאים – שהחלו לבחון אותם, וננוטכנולוגים – שהחלו לנצל אותם עבור ההכנה של התקנים מכאניים וחשמליים חדשניים.

"ישנן שתי תכונות ההופכות את הגרפן ליוצא-דופן," אומר Kirill Bolotin, פרופסור לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת Vanderbilt (נאשוויל, טנסי, ארה"ב). "ראשית, המבנה המולקולארי שלו כה עמיד בפני פגמים מבניים עד כי החוקרים נאלצו להחדירם במכוון לשם בדיקת השפעותיהם של פגמים אלו. שנית, האלקטרונים הנושאים עליהם את המטען החשמלי נעים מהר יותר ובאופן כללי מתנהגים כאילו המסה שלהם הרבה יותר קטנה מאשר זו הנמדדת במתכות רגילות או על-מוליכים."

במאמר שפורסם החודש בכתב-העת היוקרתי Nature, המדען וצוות המחקר שלו מדווחים כי הצליחו לייצר גרפן נקי דיו כך שהוא מפגין תופעה אלקטרונית מוזרה המכונה "תוצא הול קוונטי חלקי" (Hall effect, הערך בוויקיפדיה), שבה האלקטרונים פועלים יחדיו ליצירת חלקיקים חדשים בעלי מטענים חשמליים שהינם שבר מהמטען של אלקטרון בודד.

למרות שגרפן הינו החומר הגבישי הדו-מימדי האמיתי הראשון שהתגלה, מדענים הרהרו רבות במהלך השנים כיצד יתנהגו גזים ומוצקים דו-מימדיים אחרים. הם גם הצליחו ליצור אומדן קרוב עבור גז אלקטרונים דו-מימדי באמצעות החיבור יחדיו של שני מוליכים-למחצה השונים במעט זה מזה. האלקטרונים מתוחמים בממשק שבין שני המוליכים למחצה והתנועה שלהם מוגבלת לתנועה דו-מימדית בלבד. כאשר מערכת כזו מקוררת עד כדי פחות ממעלה אחת מעל האפס המוחלט ומופעל עליה שדה מגנטי חזק – אזי מתרחשת התופעה.

מאז שהמדענים הבינו כיצד להכין גרפן (לפני חמש שנים), הם ניסו לגרום לו להפגין את התופעה הזו, ניסיונות שהסתיימו בהצלחה זעומה בלבד. לדבריו של החוקר, קבוצה מאוניברסיטת קולומביה שבארה"ב הבינה כי הבעיה הינה הפרעה הנובעת מהמשטח עליו מוקם הגרפן. בעקבות כך, החוקרים השתמשו בשיטות ליתוגרפיה של מוליכים-למחצה בכדי למקם יריעות גרפן נקיות ביותר בין נקודות מיקרוסקופיות מעל משטח השבב המוליך למחצה. כאשר הם קיררו את התצורה הזו בתחום של עד שש מעלות מעל האפס המוחלט והפעילו שדה מגנטי, הגרפן חולל את אפקט הול, בדיוק כפי שצפתה התיאוריה.

הדרך הטובה ביותר להבין את התופעה הזו, המנוגדת להיגיון הרגיל שלנו, הינה לחשוב על האלקטרונים שבגרפן כאילו הם יוצרים גל טעון דקיק ביותר. כאשר מופעל שדה מגנטי, גל זה מייצר מערבולות בזרם האלקטרונים. מאחר ולאלקטרונים יש מטען שלילי, למערבולות אלו יש מטען חיובי. "מערבולות" אלו מתקבלות עם מטען חלקי של שליש, חצי ושני שלישים מהמטען של אלקטרון בודד. נושאי מטען חיובי אלו נמשכים אל אלקטרוני ההולכה, ויוצרים בסופו של דבר כעין-חלקיקים (קווזי-חלקיקים) בעלי מטען חלקי.

הבנת התכונות האלקטרוניות של גרפן חשובה מכיוון, שלא כמו חומרים אחרים המשמשים בתעשיית האלקטרוניקה, הגרפן נותר יציב ומוליך גם ברמה המולקולארית. כתוצאה מכך, כאשר טכנולוגיית הסיליקון הנוכחית תגיע לגבול המזעור הבסיסי שלה בשנים הקרובות, אפשר שהגרפן יתפוס את מקומה.

בינתיים, פיסיקאים תיאורטיים מעוניינים בגרפן מסיבה שונה לחלוטין: הוא מספק אפשרויות חדשות לבחינת התיאוריות שלהם.

במהלך תנועתם של אלקטרונים בתוככי מתכות רגילות, הם מגיבים עם שדות חשמליים שנוצרים מסריג אטומי המתכת, שדות המושכים והדוחפים אותם באופן מורכב. כתוצאה מכך, האלקטרונים מתנהגים כאילו הם בעלי מסה השונה מהמסה הרגילה והמקורית שלהם. לפיכך, הפיסיקאים קוראים לזה "מסה אפקטיבית" ומתייחסים אליהם כאל קווזי-חלקיקים. גם כאשר הם נעים ברחבי הגרפן הם מתנהגים כקווזי-חלקיקים, אולם בצורה כזאת שהם חסרי מסה. מסתבר כי קוואזי-החלקיקים של הגרפן, שלא כמו אלו המצויים בחומרים אחרים, מצייתים לחוקי האלקטרודינמיקה הקוונטית – אותן משוואות היחסות שהפיסיקאים משתמשים בהן לתיאור התנהגותם של חלקיקים בחורים שחורים ובמאיצי-חלקיקים גבוהי-אנרגיה. כתוצאה מכך, חומר חדשני זה יוכל לאפשר לפיסיקאים לערוך ניסיונות ממשיים לבחינת נכונות המודלים התיאורטיים שלהם לגביי הסביבות הקיצוניות ביותר הקיימות ביקום כולו.