בעזרת הולוגרמה: נמצא פתרון לחידה סבוכה בפיזיקה

תגלית מדעית, שפורסמה בעיתון המדעי Nature Physics, מציעה שיטה חדשה לחישוב הצורה של האלקטרונים. השיטה אמורה לעזור למדענים להבין טוב יותר את התכונות של חומרים מורכבים.

את השיטה פיתח ד"ר עמנואל דלה טורה מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן בשיתוף עם שני חוקרים מאוניברסיטת הרווארד בארה"ב. החוקרים קיבלו השראה לפיתוח מ"הולוגרמה" כדי לבנות אלגוריתם המאפשר לראות את הצורה של אלקטרון בחומר על-מוליך. בעזרת השיטה החדשה שפיתחו שלושת החוקרים הובהרו תוצאות של ניסויים שבוצעו ברחבי העולם במהלך 15 השנים האחרונות.

להשתמש במתמטיקה כדי להסביר את הטבע

ד"ר דלה טורה,מרצה בכיר במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן, מסביר את השיטה: "אלקטרונים הם חלקיקים קוונטיים היכולים להתנהג כמו גלים. בדרך כלל קשה מאוד לראות את הצורה של הגל, כי היא משתנית לפי התכונות של החומר שבו נמצא האלקטרון".

ד"ר עמנואל דלה טורה(צילום: פיית' בגינסקי)

הוא הוסיף כי "תפנית חשובה התרחשה בשנות ה-80 של המאה הקודמת, כאשר הומצא מיקרוסקופ רב-עוצמה, המבוסס על עיקרון המנהור הקוונטי שאיפשר, בפעם הראשונה, לראות אטומים בודדים בחומר. בעבר היה אפשר לראות את הצורה של האלקטרון רק באטום מבודד, בוואקום, אבל לא בתוך חומר מורכב שמכיל הרבה מאוד אטומים צפופים. ביחד עם שותפיי למחקר, פיתחנו שיטה מתמטית שעזרה לנו לנתח את התוצאות של מיקרוסקופ מנהור. בעזרת האלגוריתם שלנו הצלחנו לזהות תבניות החוזרות על עצמן בניסוי - ושלא זוהו עד כה. תבניות אלו אפשרו לנו לשחזר את הצורה של האלקטרון ב"קופרטים" (Cuprates) – חומרים המורכבים מחמצן ונחושת, הנמנים עם על-המוליכים הטובים ביותר בעולם".

מי מפחד מפיזיקה תיאורטית?

"הצורה שמצאנו", מסביר ד"ר דלה טורה, "מוצגת כרשת צבעונית המכילה אזורים חיוביים ( הצבועים בכחול) ושליליים (באדום).האלקטרונים מרחפים בתוך מבנה מסודר של אטומים. הכדורים הכחולים מייצגים את אטומי החמצן והכדורים האדומים את אטומי הנחושת".

( )

"בפעם הראשונה בתולדות המדע, הצלחנו לזהות את הצורה המיוחדת של האלקטרון בתוך חומר מורכב", מסביר ד"ר דלה טורה. "מסתבר שהצורה שמצאנו תואמת את הצורה שחושבה תיאורטית על ידי שני פיזיקאים מהמכון הטכנולוגי בשוויץ (ETH) בשנת 1988". בעזרת תובנה זו הצליחו ד"ר דלה טורה ושותפיו האמריקנים להסביר את התוצאות שהתקבלו בסידרה של ניסויים שבוצעו בשנים האחרונות על ידי מיקרוסקופ מינהור על קופרטים. ניסוים אלו גילו שצבעם של האטומים משתנה באופן מחזורי בתוך החומר, כאשר כל אטום רביעי נראה יותר בהיר מיתר האטומים.

במהלך השנים ניסו חוקרים להסביר את התוצאות האלה, אבל עד כה לא הצליח איש מהחוקרים לספק הסבר משכנע לתוצאות הניסוי. ד"ר דלה טורה ושותפיו סבורים שהתופעה קשורה לצורה של האלקטרונים. בעזרת מיפוי צורה זו בקופרטים, הם הצליחו להציע הסבר פשוט לתופעה.

( )

חיפשו אקראי בין חומרים חדשים - כמו לאפות עוגה בלי מתכון

"בטמפרטורת החדר, חומרים על-מוליכים מוליכים מעט מאוד חשמל. אבל כאשר מקררים אותם עד מתחת לטמפרטורה מסוימת - הנקראת טמפרטורה קריטית - הם הופכים לגיבורי-העל של ההולכה ומוליכים חשמל בלי התנגדות, בלי להתחמם ובלי להמיס. בשל כך - לחומרים אלה יש שימושים פוטנציאליים רבים מאוד והם מהווים בסיס לטכנולוגיות עתידיות רבות", מסביר ד"ר דלה טורה.

קופרטים הם החומרים העל-מוליכים עם הטמפרטורה הקריטית הגבוהה ביותר בעולם. עם זאת יש לקרר אותם ל-135 מעלות מתחת לאפס כדי להפוך אותם לעל-מוליכים. תהליך זה צורך אנרגיה רבה מאוד ועל כן מוקדשים כיום מאמצים רבים לחיפוש אחרי חומרים עם טמפרטורה קריטית גבוהה יותר, המוזילים משמעותית את עליות התפעול. "בהיעדר שיטה מסודרת, הרבה מעבדות מחקר ברחבי העולם מייצרות חומרים בשיטה אקראית, בתקווה למצוא את ה'מועמד המושלם", אומר ד"ר דלה טורה. "זה כמו לאפות עוגה בלי מתכון: אתה מקווה שהיא תצא פריכה, אבל אין לך מושג איזה רכיבים שולטים ברכות שלה".

תרגילים עם הולוגרמה

פריצת דרך לתגליות חדשות

"האלקטרונים הם הנשמה של החומר. הם קובעים את הביצוע, את ההולכה, ואת כל הפעילות הכימית של האלקטרון", אומר ד"ר דלה טורה. "אני מצפה שהשיטה החדשה לגילוי הצורה של האלקטרון תעזור להנדס חומרים המתאימים לטכנולוגיות עתידיות. בעזרת הבנה מעמיקה יותר של התנהגות החומרים, המדענים מתקדמים לקראת הגילוי של העל-מוליך הבא".