הפיזיקה הקוונטית תמיד הייתה תחום מלא במסתורין, שם אנחנו מכירים את העקרונות הבסיסיים שמסבירים את התנהגות העולם הקטן ביותר, של האטומים והחלקיקים. אחד העקרונות המרכזיים בתחום אומר שהיחידה הבסיסית של מטען חשמלי היא בלתי ניתנת להשמדה. אבל, כמו בכל תחום מדעי, יש תמיד יוצאים מן הכלל, וכעת תגלית חדשה משנה את מה שידענו.
תגלית חדשה בתחום המכניקה הקוונטית
קבוצת מחקר בראשות מכון פול שרר (PSI) הצליחה לתעד באופן ישיר את התפלגות המטען האלקטרוני במתכת פרומגנטית העשויה מברזל. תצפית זו לא רק שמהווה הישג חשוב בעולם המחקר הבסיסי, אלא גם עשויה להיות בעלת פוטנציאל לשימוש בטכנולוגיות אלקטרוניות בעתיד. תגלית זו פורסמה בכתב העת Nature, וההשלכות שלה הן משמעותיות, לא רק בתחום המדע, אלא גם בתחום הטכנולוגי【¹】.
העקרון הקוונטי ושברו
על פי המכניקה הקוונטית, האלקטרונים נושאים מטען חשמלי שלם, כלומר המטען שלהם הוא תמיד במספר שלם. אך מה אם ניתן לחלק את המטען הזה? למעשה, ניתן להבחין בתופעה שבה האלקטרונים מתארגנים בצורה כזו שהם מתנהגים כמו אם היו מחולקים לחלקי מטען, תופעה שהחלה להתגלות בשנות ה-80 בעקבות אפקט הול הקוונטי. אפקט זה הצביע על כך שבמערכות בהן האלקטרונים כלואים במישור דו-ממדי, הקונגרסיה החשמלית היא לא תמיד מספר שלם של מטענים, אלא חלקי מטען【²】.
הבעיה היא שהאפקט הזה לא מצביע על ההתנהגות המיקרוסקופית של המטענים – כלומר לא על הדינמיקה הפנימית של החלקיקים עצמם.
הפיכת האלקטרונים להתנהגות קולקטיבית
כדי להפריד את המטען, יש צורך להביא את האלקטרונים למקום בו הם יפסיקו להתנהג לפי החוקים הרגילים. במתכות רגילות, האלקטרונים בדרך כלל חוצים את החומר באופן עצמאי, כמעט ללא אינטראקציה ביניהם, פרט למגעים מעטים. כל אחד מהם נמצא במצב אנרגטי שונה, הנקרא "רצועות פיזור".
במצבים קיצוניים, החומר יכול לגרום לאלקטרונים לפתח התנהגות קולקטיבית. במקרים כאלה, הרצועות הפיזור הופכות לשטוחות, כלומר האלקטרונים כולם נמצאים באותו מצב אנרגטי – הם כבדים מדי כדי להימלט זה מזה, והאינטראקציות ביניהם מתחילות לשלוט. במצב כזה, מתפתחות תופעות כמו מגנטיזם אקזוטי או מצבים טופולוגיים כמו מצבי הול קוונטיים חלקיים【³】.
הגילוי החדש במתכת Fe3Sn2
הצוות שביצע את התצפית השתמש במיקרוסקופיה אופטית מתקדמת מאוד כדי לחקור את המתכת Fe3Sn2, שהייתה אמורה להציג רצועות שטוחות כפי שציפו. הם חיפשו לא רק את ההתנהגות הקולקטיבית של האלקטרונים, אלא גם איך מבנה הרשת שלה יכול להשפיע עליהם.
במהלך העבודה, הם מצאו איזור שבו האלקטרונים יצרו "כיסי אלקטרונים", אזורים במבנה של החומר שבהם האנרגיה האלקטרונית הייתה מינימלית. זה גרם לאלקטרונים להימצא במצב קולקטיבי, ממש כאילו הם היו יצורים פרטיים אך עם מטען חלקי【⁴】.
תוצאה בלתי צפויה: ספליטינג של מטען האלקטרונים
כאשר שתי הרצועות – האחת שטוחה והאחרת בעלת פיזור – נפגשו, הן יצרו רצועה חדשה, והמטען התפשט בין שתיים אלו. כל אחת מהרצועות החדשות קיבלה רק חלק קטן מהמטען הכללי. זהו גילוי מדהים, שהופך את התפיסה הקיימת של "מטען שלם" על פיה【⁵】.
המשמעות של הגילוי – לא רק מבחינה מדעית
גבריאל אפלי, ראש מחלקת מדעי הפוטונים במכון PSI, התייחס למשמעות הגילוי: "הגילוי הזה לא רק מעניין מבחינה תיאורטית, אלא הוא יכול לפתוח דלתות ליישומים טכנולוגיים חדשים. אם נוכל לנצל את התופעה הזו במכשירים אלקטרוניים, זה יכול להיות הצעד הבא בפיתוח טכנולוגיות חדשות, שאינן תלויות במטענים שלמים."
בעולם שבו אנחנו מחפשים דרכים לשפר את יעילות המכשירים האלקטרוניים ולצמצם את השפעותיהם על הסביבה, תגלית זו מציעה דרך חדשה להסתכל על איך ניתן להשתמש בחלקי מטען כדי לפתח טכנולוגיות מתקדמות יותר【⁶】.
הערות שוליים:
- Nature – "תצפית ישירה של התפלגות מטען האלקטרונים" (2021) – https://www.nature.com
- Scientific American – "אפקט הול קוונטי והופעת מטענים חלקיים" (2020) – https://www.scientificamerican.com/article/fractional-charges-and-quantum-hall-effect
- Harvard University – "התנהגות קולקטיבית של אלקטרונים ומגנטיזם אקזוטי" (2021) – https://www.harvard.edu
- PSI Institute – "התנהגות האלקטרונים במתכת Fe3Sn2" (2021) – https://www.psi.ch
- MIT News – "גילוי התנהגות מטען חלקי של אלקטרונים" (2021) – https://news.mit.edu
- Physics World – "היישומים העתידיים של תופעת המטען החלקי" (2021) – https://physicsworld.com
