מעבר לקשת: לעצב מסלולי אלקטרונים לפי דרישה

אלקטרונים "רגילים" לנוע במעגלים חשמליים, אלא שלפעמים הטבע (או המדענים שמשתמשים בתופעות טבע שונות) מציב לפניהם אתגר: קטעי מעגלים שהם, למעשה, מעין "קשתות". אלקטרונים שנעים לאורכן של "קשתות" כאלה, מגיעים בהכרח לקצותיהן, דבר שנראה במבט ראשון "מבוי סתום". אלא שבטבע אין מבוי סתום, ולכן האלקטרון שהגיע אל קצה הקשת צולל אל עומק החומר. מה הוא ימצא שם? כיצד ימשיך את מסעו? התשובה על השאלות האלה תלויה בתכונותיהם הייחודיות של החומרים שבהם נוצרות הקשתות האלה.

מתכת וייל הנוצרת משבירת הסימטריה בציר הזמן. שינוי פני השטח של הגביש במתכת-למחצה זו מאפשר לבחור ולעצב לפי דרישה מסלולי אלקטרונים(איור: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

מדובר במתכות-למחצה (שמתקיימות על הגבול הדק שבין מבודדים למוליכים), אשר אפשר לסווגן באמצעות טופולוגיה (ואשר קרויות "מתכות וייל"). על-פני המעטפת של החומרים האלה, נעים אלקטרונים ייחודיים הקרויים "אלקטרוני מעטפת", והם חסינים במיוחד ולכן יכולים להציע מעגלים חשמליים יעילים במיוחד. על-פני המעטפת של מתכות-למחצה טופולוגיות, נוצרים מבנים דמויי קשת, אשר מכונים "קשתות פרמי".

עוד כתבות באתר מסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע:

מדענים חשפו כיצד פועלים חיסונים ניסיוניים נגד אבולה

ישחקו הדגים לפנינו: מציאות מדומה לדגים

ייחודן של קשתות אלה מתבטא בכך שהן מגדירות על-פני הדוגמה מצבים אלקטרוניים פתוחים (על כן הן קרויות קשתות), בניגוד למצבים הטבעתיים השגורים. אלקטרון שנע על-פני השטח לאורך קשת פרמי, למשל כתוצאה מהפעלת שדה מגנטי, יגיע בהכרח לנקודת הקצה ("נקודת וייל") ולא יוכל להמשיך בתנועתו על-פני המעטפת. וכאן אנו מגיעים לשאלה שנשאלה בתחילת המאמר: מה יכול לעשות האלקטרון שהגיע, כביכול, לסמטה ללא מוצא? מתברר שהוא מנותב אל עומק החומר ו"יצלול" בתוכו, עד שיגיח מ"נקודת וייל" בעברו השני, שם תמתין לו "קשת פרמי" אחות, שלאורכה הוא ימשיך לנוע – וחוזר חלילה.

עומדים (מימין): אמביקש גופטה, ד״ר מתימלר סוברמניאן, ד״ר חיים ביידנקופף, ד״ר נורית אברהם ואבהאי קומר-נאיאק. יושבים (מימין): אבירם שטיינבוק, ד״ר נועם מורלי ויותם רואט. צללו אל עומק החומר(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

"למעשה", אומר פרופ' חיים ביידנקופף מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, "התיאוריה בתחום זה חוזה את קיומן של שני סוגי 'מתכות וייל' (שאפשר לסווגן באמצעים טופולוגיים) – אלו הנוצרות כתוצאה משבירת סימטריה גבישית, ואלו הנוצרות משבירת הסימטריה בציר הזמן המתרחשת בנוכחות של מגנטיות בדוגמה".

פרופ' ביידנקופף וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, הצליחו באחרונה להוכיח ולהדגים לראשונה את קיומה של מתכת וייל מגנטית ייחודית מסוג זה. בהמשך הם השתמשו בחומר ייחודי זה כדי להוכיח את קיומה של תכונה חדשה של מתכות וייל: בעוד המבנה האלקטרוני בעומק החומר מסווג את החומר כמתכת מסוג וייל, ואף מגדיר את נקודות ההתחלה והסיום האפשריות של קשתות פרמי על-פני השטח, האופן שבו יבחרו הקשתות לחבר את נקודות וייל השונות ניתן לשינוי ולחיווט מחדש.

במחקרם הראו מדעני המכון, ששינוי פני השטח של הגביש במתכת מגנטית מסוג וייל אכן גרם לשינוי באופן שבו מחווטות קשתות פרמי את נקודות וייל השונות. "כך, למעשה", אומר פרופ' ביידנקופף, "אנחנו יכולים לבחור ולעצב כרצוננו את מסלולי האלקטרונים בין קשתות הפרמי שעל-פני המתכת-למחצה הטופולוגית". ממצא זה, מעבר להוכחה ולהדגמה של נכונות התיאוריה בדבר קיומן של מתכות-למחצה טופולוגיות מגנטיות, מציע דרכים חדשות לעיצוב התקנים חשמליים עתידיים ולשליטה בהם.