ÁÂ˙ÈÙ ¯˜ÁÓ
10
1. הולכה בגביש קוואזי-מחזורי
ללא אי-סדר
2. הולכה בגביש קוואזי-מחזורי
ברמה מועטה של אי-סדר
3. הולכה בגביש קוואזי-מחזורי
ברמה גבוהה של אי-סדר
הוספת אי-סדר לגבישים קוואזי-מחזוריים
מגבירה את מוליכותם. כך גילו שלושה
חוקרים מהפקולטה לפיזיקה, שאף הסבירו
את המנגנון הפיזיקאלי העומד מאחורי
תופעה זו. התגלית האמורה, שהתפרסמה
, מנוגדת לסברה לפיה
Science
בכתב העת
קיומו של אי-סדר בתוך גבישים מדכא את
ההולכה. למסקנות העולות ממחקר זה
השלכות משמעותיות על חקר ההולכה של
אלקטרונים ואור בחומרים שונים.
גבישים קוואזי-מחזוריים הם מבנים
שהתגלו בראשית שנות השמונים על ידי
פרופסור מחקר דן שכטמן מהפקולטה
להנדסת חומרים - גילוי שבגינו יקבל
פרופסור שכטמן את פרס נובל בכימיה
לשנת 1102 )ראו עמודים 5-2 בגיליון זה(.
ב-4891 פרסמו דב לוין )כיום פרופסור
לפיזיקה בטכניון( והמנחה שלו לדוקטורט,
פרופסור פול סטיינהארדט, את המודל
התיאורטי המסביר תופעה זו.
גילויים של הגבישים הקוואזי-מחזוריים
בניגוד לסברה המקובלת:
הוספת אי-סדר לגבישים קוואזי-מחזוריים מגב
פתח תחום מחקר חדש במדע, ואחת
השאלות הנחקרות בהקשר זה היא שאלת
מוליכותם של מבנים אלה. במחקר הנוכחי
בנו חוקרי הטכניון - הדוקטורנט ליעד
לוי, הפוסט-דוקטורנט מיכאל רכטסמן
ופרופסור מחקר מוטי שגב - קוואזי-גביש
פוטוני, ואז הוסיפו לו אי-סדר ושיגרו
לתוכו אלומת אור, במטרה לעקוב אחרי
התפשטות האור בתוך קוואזי-גביש.
הרעיון למחקר האמור הועלה לראשונה
על ידי שלשה חוקרים אחרים בקבוצת
המחקר של פרופסור מוטי שגב - ברק
פרידמן, טל שוורץ ועופר מנלה - לקראת
סיום הדוקטורט שלהם )בהנחיית מוטי
שגב( לפני כשלוש שנים. עם זאת, חלק
מהותי בבעיה ”פוצח“ רק לפני כשנה על
ידי לוי, רכטסמן ושגב.
החוקרים מסבירים כי אופן תנועתם של
אלקטרונים בחומרים שונים קובע את
תכונות ההולכה החשמלית שלהם, ואילו
אופן תנועתם של פוטונים )חלקיקי אור(
בחומרים שונים קובע את תכונות ”הולכת
האור“ דרך חומרים אלו.
”ההנחה שכל המוצקים בטבע הינם
בבסיסם מבנים מחזוריים איננה נכונה,“
מסבירים החוקרים. ”ישנם מבנים בעלי
מבנה אקראי, וישנם מבנים שיש בהם אי-
סדר חלקי. אלה האחרונים הם המבנים
שנבדקו בניסוי האחרון – גבישים קוואזי-
מחזוריים, שחלקיקיהם אינם מסודרים
בצורה מחזורית גבישית, אך גם אינם
מפוזרים בצורה אקראית. אלה חומרים
מסודרים שאינם מחזוריים, אבל יש בהם
סדר כי ניתן למצוא במבנה שלהם תבניות
דומות. העובדה שאי-סדר מגביר את
מוליכותם של החומרים האלה נוגדת את
הסברה המקובלת, ופותחת פתח למחקר
נרחב בנושא זה.“
מחקר שנערך בפקולטה
לפיזיקה משנה את הבנת
ההולכה בגבישים למחצה
1
2
3
כ י צד נשבר הא ו ר ?
קלאודיוס פטולמי - אזרח רומי שהתגורר
באלכסנדריה שבמצרים - היה הראשון שמצא
את החוקיות המתמטית של זוויות השבירה של
קרני אור העוברות בין חומרים שונים. רק 006
שנה מאוחר יותר )1261( מצא המתמטיקאי
ווילבורד סנל את החוקיות המדויקת לפיה
נקבעת זווית השבירה הזו )חוק סנל(.
בהקשר של הולכת אלקטרונים, המודל הראשון
הוצע בתחילת המאה הקודמת )בשנת 0091(
על ידי הפיזיקאי פול דרודה. דרודה הניח
שהאלקטרונים הם ”כדורים קטנים“ המתנגשים
במהלך תנועתם לעיתים תכופות באטומים של
החומר - ”כדורים גדולים וכבדים“ - ומבצעים
בתווך מהלך אקראי הנקרא ”הילוך שיכור“.
”למרות שהמודלים האלה, הן עבור אלקטרונים
והן עבור פוטונים, תאמו את תוצאותיהם של
ניסויים רבים, כיום ברור לנו שהתמונה הרבה
יותר מורכבת ושהנחות היסוד של דרודה וסנל
אינן מספקות“, אומר פרופסור שגב. ”ב-1081
הראה הפיזיקאי תומאס יאנג, בניסוי פשוט של
התאבכות משני סדקים, שהאור מקיים תכונות
של גלים. באופן דומה ניבאה תורת הקוונטים
את אופיים הגלי של חלקיקים כגון אלקטרונים.
לאור תגליות אלו ברור שההנחות הבסיסיות
ששמשו פיסיקאים ומתמטיקאים כמו סנל
ודרודה היו לא מספקות: אם לאלקטרונים
ולפוטונים יש תכונות גליות, הרי שהחלקיקים
מסוגלים לבצע עקיפה של ”מכשולים“ ואף
התאבכות כפי שמבצעים גלים בים. אי לכך,
ההנחה המרכזית של דרודה - שהאלקטרון הוא
חלקיק )”מעין כדור ביליארד קטן“( הנע בקווים
ישרים - אינה נכונה.“
התורה האלקטרומגנטית )משוואות מקסוול(
ושל תורת הקוונטים )משוואת שרדינגר(
העניקו דחיפה עצומה להבנה של תנועת
חלקיקים ואור בחומר. אבן דרך חשובה
בתהליך זה היא עבודתו של הפיסיקאי היהודי,
חתן פרס נובל פליקס בלוך.
בתקופתו של בלוך האמינה הקהילה המדעית
כולה שכל המוצקים בטבע בנויים מחלקיקים
)אטומים/מולקולות( המונחים באופן מחזורי
זה ליד זה ויוצרים גביש מחזורי ומסודר. בלוך
ניסה להבין כיצד מתנהגים אלקטרונים במבנים
כאלו במסגרת תורת הקוונטים. בעבודת
הדוקטורט שלו הוא התייחס לאלקטרונים
48...,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 2,3,4,5,6,7,8,9,1