תמונה של גביש ויגנר משולש שצולם על ידי מיקרוסקופ מנהור סורק. חוקרים חשפו גביש חמקמק שנוצר אך ורק מהטבע הדוחה של אלקטרונים. כל אתר (אזור עגול כחול) מכיל אלקטרון מקומי יחיד. קרדיט: ין-צ'ן צוי וצוות, אוניברסיטת פרינסטון
אוניברסיטת פרינסטון חוקרים מזהים צורה מוזרה של חומר שחמקה מגילוי ישיר במשך כ-90 שנה.
אלקטרונים – החלקיקים הקטנים לאין שיעור שידוע כי הם רוכסים סביב אטומים – ממשיכים להדהים את המדענים למרות יותר ממאה שנה שמדענים חקרו אותם. כעת, פיזיקאים מאוניברסיטת פרינסטון דחפו את גבולות ההבנה שלנו לגבי החלקיקים הזעירים הללו על ידי הדמיית, לראשונה, ראיות ישירות למה שמכונה גביש ויגנר – סוג מוזר של חומר שעשוי כולו מאלקטרונים.
הממצא, שפורסם ב-11 באפרילה' גיליון כתב העת טֶבַע, מאשש תיאוריה בת 90 שנה לפיה אלקטרונים יכולים להרכיב צורה דמוית גביש משלהם, ללא צורך להתלכד סביב אטומים. המחקר יכול לעזור להוביל לגילוי שלבים קוונטיים חדשים של חומר כאשר אלקטרונים מתנהגים באופן קולקטיבי.
תובנות תיאורטיות וניסויים מוקדמים
"הגביש של ויגנר הוא אחד מהשלבים הקוונטיים המרתקים ביותר של החומר שנחזו ונושא של מחקרים רבים הטוענים כי מצאו במקרה הטוב ראיות עקיפות להיווצרותו", אמר אל יזדאני, פרופסור אוניברסיטת ג'יימס ס. מקדונל ב- פיזיקה באוניברסיטת פרינסטון והמחבר הבכיר של המחקר. "הדמיה של הגביש הזה מאפשרת לנו לא רק לצפות בהיווצרותו, ומאשרת רבות מתכונותיו, אלא נוכל גם ללמוד אותו בדרכים שלא יכולתם בעבר."
בשנות ה-30, כתב יוג'ין ויגנר, פרופסור לפיזיקה פרינסטון וזוכה פרס נובל לשנת 1963 על עבודתו בעקרונות סימטריה קוונטית, מאמר שבו הציע את הרעיון המהפכני של אז שאינטראקציה בין אלקטרונים יכולה להוביל לסידורם הספונטני לתוך תצורה דמוית גביש, או סריג, של אלקטרונים צפופים. זה יכול להתרחש רק בגלל הדחייה ההדדית שלהם ובתנאים של צפיפות נמוכה וטמפרטורות קרות במיוחד.
"כשאתה חושב על גביש, אתה בדרך כלל חושב על משיכה בין אטומים כעל כוח מייצב, אבל הגביש הזה נוצר אך ורק בגלל הדחייה בין אלקטרונים", אמר יזדני, שהוא המנהל המשותף של מכון הקוואנטים של פרינסטון. מנהל מרכז פרינסטון לחומרים מורכבים.
הסרטון מתאר תהליכי התכה של גביש ויגנר אלקטרוני לפאזות נוזלי אלקטרונים. ככל שצפיפות האלקטרונים (nu, מדד למספר אלקטרונים בשדה מגנטי, נשלטת על ידי הפעלת מתחים חשמליים) גדלה, יותר אלקטרונים (אתרים כחולים כהים) נכנסים לשדה הראייה, ומבנה מחזורי של סריג משולש מתגלה. המבנה המחזורי נמס לראשונה (ליד nu = 0.334) כאשר המפה מציגה אותות הומוגניים. ואז הוא מופיע שוב בצפיפות גבוהה יותר nu, ובסופו של דבר נמס שוב (nu = 0.414). קרדיט: ין-צ'ן צוי, אוניברסיטת פרינסטון
התקדמות בחקר גבישי אלקטרונים
אולם במשך זמן רב, גביש האלקטרונים המוזר של ויגנר נשאר בתחום התיאוריה. רק בסדרה של ניסויים מאוחרים הרבה יותר, המושג של גביש אלקטרוני הפך מהשערה למציאות. הראשון שבהם נערך בשנות ה-70 כאשר מדענים במעבדות בל בניו ג'רזי יצרו גביש אלקטרוני "קלאסי" על ידי ריסוס אלקטרונים על פני השטח של הליום וגילו שהם הגיבו בצורה נוקשה כמו גביש. עם זאת, האלקטרונים בניסויים אלה היו רחוקים מאוד זה מזה והתנהגו יותר כמו חלקיקים בודדים מאשר מבנה מלוכד. גביש ויגנר אמיתי, במקום לעקוב אחר חוקי הפיזיקה המוכרים בעולם היומיומי, יפעל לפי חוקי הפיזיקה הקוונטית, שבהם האלקטרונים יתנהגו לא כמו חלקיקים בודדים אלא יותר כמו גל בודד.
זה הוביל לסדרה שלמה של ניסויים במהלך העשורים הבאים שהציעו דרכים שונות ליצור גבישי ויגנר קוונטיים. ניסויים אלה התקדמו מאוד בשנות השמונים והתשעים כאשר פיזיקאים גילו כיצד להגביל את תנועת האלקטרונים לשכבות דקות אטומיות באמצעות מוליכים למחצה. היישום של שדה מגנטי על מבנים שכבות כאלה גם גורם לאלקטרונים לנוע במעגל, ויוצר תנאים נוחים להתגבשות. אבל ניסויים אלה מעולם לא הצליחו לצפות ישירות בגביש. הם יכלו רק להציע את קיומו או להסיק אותו בעקיפין מאופן זרימת האלקטרונים דרך המוליך למחצה.
פריצת דרך בהדמיה ישירה
"יש ממש מאות מאמרים מדעיים שחוקרים את ההשפעות האלה וטוענים שהתוצאות חייבות להיות בגלל הגביש של ויגנר", אמר יזדני, "אבל אי אפשר להיות בטוח, כי אף אחד מהניסויים האלה לא רואה את הגביש".
שיקול חשוב לא פחות, ציין יזדני, הוא שמה שכמה חוקרים חושבים שהוא עדות לגביש ויגנר יכול להיות תוצאה של פגמים או מבנים תקופתיים אחרים הטבועים בחומרים ששימשו בניסויים. "אם יש פגמים כלשהם, או צורה כלשהי של תת-מבנה תקופתי בחומר, אפשר ללכוד אלקטרונים ולמצוא חתימות ניסיוניות שלא נובעות מהיווצרות של גביש ויגנר מאורגן בעצמו, אלא בגלל אלקטרונים 'תקועים'. קרוב לליקוי או לכוד בגלל מבנה החומר", אמר.
מתוך מחשבה על שיקולים אלו, יזדני וצוות המחקר שלו החלו לבדוק אם הם יכולים לצלם ישירות את גביש ויגנר באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM), מכשיר המסתמך על טכניקה הנקראת "מנהור קוונטי" ולא על אור כדי לראות את עולם אטומי ותת-אטומי. הם גם החליטו להשתמש גרפןחומר מדהים שהתגלה ב-21רחוב המאה ושימשה בניסויים רבים הכוללים תופעות קוונטיות חדשות. אולם כדי לערוך את הניסוי בהצלחה, החוקרים נאלצו להפוך את הגרפן לבתולי ונטול פגמים ככל האפשר. זה היה המפתח לביטול האפשרות של יצירת גבישי אלקטרונים בגלל פגמים בחומר.
חשיפת הטבע הקוונטי
התוצאות היו מרשימות. "הקבוצה שלנו הצליחה לעשות דגימות נקיות ללא תקדים שאפשרו את העבודה הזו", אמר יזדני. "בעזרת המיקרוסקופ שלנו אנו יכולים לאשר שהדגימות הן ללא כל חוסר שלמות אטומית בסריג האטומי של הגרפן או אטומים זרים על פני אזורים עם מאות אלפי אטומים."
כדי ליצור את הגרפן הטהור, החוקרים קילפו שתי יריעות פחמן של גרפן בתצורה שנקראת גרפן דו-שכבתי מוערם ברנאל (BLG). לאחר מכן הם קיררו את הדגימה לטמפרטורות נמוכות במיוחד – רק שבריר מעלה מעל אפס מוחלט– והפעיל שדה מגנטי בניצב לדגימה, שיצר מערכת גז אלקטרונים דו-ממדית בתוך השכבות הדקות של הגרפן. בעזרת זה, הם יכלו לכוון את צפיפות האלקטרונים בין שתי השכבות.
"בניסוי שלנו, אנחנו יכולים לדמיין את המערכת כשאנו מכוונים את מספר האלקטרונים ליחידת שטח", אמר ין-צ'ן צוי, סטודנט לתואר שני בפיזיקה והמחבר הראשון של המאמר. "רק על ידי שינוי הצפיפות, אתה יכול להתחיל את מעבר הפאזה הזה ולגלות אלקטרונים נוצרים באופן ספונטני לכדי גביש מסודר."
חקר מבנה הגביש והדינמיקה שלו
זה קורה, הסביר צוי, מכיוון שבצפיפות נמוכה, האלקטרונים רחוקים זה מזה – והם ממוקמים בצורה לא מסודרת, לא מאורגנת. עם זאת, ככל שאתה מגדיל את הצפיפות, מה שמקרב את האלקטרונים זה לזה, נטיות הדחייה הטבעיות שלהם נכנסות והם מתחילים ליצור סריג מאורגן. לאחר מכן, ככל שתגדיל את הצפיפות עוד יותר, הפאזה הגבישית תימס לנוזל אלקטרוני.
Minhao He, חוקר פוסט-דוקטורט ומחבר ראשון של המאמר, הסביר את התהליך הזה בפירוט רב יותר. "ישנה דחייה אינהרנטית בין האלקטרונים", אמר. "הם רוצים לדחוף אחד את השני, אבל בינתיים האלקטרונים לא יכולים להיות בנפרד לאין שיעור בגלל הצפיפות הסופית. התוצאה היא שהם יוצרים מבנה סריג צפוף ומסודר, כאשר כל אחד מהאלקטרון הממוקם תופס כמות מסוימת של מקום."
כאשר המעבר הזה נוצר, החוקרים הצליחו לדמיין אותו באמצעות STM. "העבודה שלנו מספקת את התמונות הישירות הראשונות של הגביש הזה. הוכחנו שהגביש באמת שם ואנחנו יכולים לראות אותו", אמר צוי.
כיוונים עתידיים במחקר קריסטל ויגנר
עם זאת, רק הדמיית הגביש לא הייתה סוף הניסוי. תמונה קונקרטית של הגביש אפשרה להם להבחין בכמה ממאפייני הגביש. הם גילו שהגביש הוא משולש בתצורתו, ושניתן לכוון אותו ברציפות עם צפיפות החלקיקים. זה הוביל להבנה שהגביש של ויגנר הוא למעשה די יציב לטווח ארוך מאוד, מסקנה שמנוגדת למה ששיערו מדענים רבים.
"על ידי היכולת לכוון ברציפות את קבוע הסריג שלו, הניסוי הוכיח שמבנה הגביש הוא תוצאה של הדחייה הטהורה בין האלקטרונים", אמר יזדני.
החוקרים גם גילו עוד כמה תופעות מעניינות שללא ספק יצדיקו חקירה נוספת בעתיד. הם מצאו שהמיקום שאליו כל אלקטרון ממוקם בסריג מופיע בתמונות עם כמות מסוימת של "טשטוש", כאילו המיקום אינו מוגדר על ידי נקודה אלא מיקום טווח שבו האלקטרונים כלואים בסריג. . המאמר תיאר זאת כתנועת "נקודת האפס" של אלקטרונים, תופעה הקשורה לעקרון אי הוודאות של הייזנברג. מידת הטשטוש הזה משקפת את הטבע הקוונטי של גביש ויגנר.
"אלקטרונים, אפילו כשהם קפואים לתוך גביש ויגנר, צריכים להפגין תנועה חזקה של נקודת אפס", אמר יזדני. "מסתבר שהתנועה הקוונטית הזו מכסה שליש מהמרחק ביניהם, מה שהופך את גביש ויגנר לגביש קוונטי חדשני".
יזדני וצוותו בוחנים גם כיצד גביש ויגנר נמס ועובר לשלבים נוזליים אקזוטיים אחרים של אלקטרונים המקיימים אינטראקציה בשדה מגנטי. החוקרים מקווים לדמיין את השלבים הללו בדיוק כפי שהם דימו את גביש ויגנר.
סטודנט לתואר שני ין-צ'ן צוי, עמית מחקר פוסט-דוקטורט Minhao He, ו-Yuwen Hu, שקיבלה את הדוקטורט שלה. מהמחלקה לפיזיקה של פרינסטון בשנת 2023 וכעת הוא פוסט דוקטורט בסטנפורד, כולם תרמו באותה מידה לעבודה זו. משתפי פעולה אחרים כוללים, באוניברסיטת קליפורניה-ברקלי, את הפיזיקאים התיאורטיים איתן לייק, טייג וואנג ופרופסור מייקל זלטל (גם חבר בחטיבה למדעי החומר במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי), וקנג'י ווטאנבה וטקאשי טניגוצ'י מהמכון הלאומי למחקר מדעי החומרים והמרכז הבינלאומי לננו-ארכיטקטוניקה של חומרים, בהתאמה.
העבודה בפרינסטון נתמכה בעיקר על ידי מענק DOE-BES DE-FG02-07ER46419 ויוזמת EPiQS של קרן גורדון ובטי מור מעניקה GBMF9469. תמיכה אחרת לתשתית הניסוי בפרינסטון ניתנה על ידי NSF-MRSEC דרך מרכז פרינסטון לחומרים מורכבים NSF6 DMR-2011750, ARO MURI (W911NF-21-2-0147) ו-ONR N00012-21-1-2592.
הצוות גם מכיר באירוח של מרכז אספן לפיזיקה, הנתמך על ידי מענק הקרן הלאומית למדע PHY-1607611, שם בוצע חלק מעבודה זו. העבודה ב-UC Berkeley נתמכה על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, משרד מדעי האנרגיה הבסיסיים, מדעי החומרים וההנדסה, במסגרת חוזה מס' DE-AC02-05CH11231, במסגרת תוכנית ההטרו-מבנים של ואן דר ואלס (KCWF16).
