החיישן שחשף תופעה שוברת מוסכמות בתחום החומרים

ניסוי שנערך במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן, תיעד תופעה השוברת מוסכמות בתחום של מעבר חומר ממוליך למבודד. התצפית במכשור הרגיש הראתה שאם מסתכלים מקרוב מאוד, מגלים שחוק שנחשב אוניברסלי מפסיק להתקיים. התופעה התגלתה בזכות חיישן ייחודי שפיתחה קבוצת המחקר של פרופ' בינה קליסקי.

טכנולוגיה למחקר ניסיוני שקיימת במעבדות בודדות בעולם אפשרה לחוקרים במעבדת קליסקי להראות שחוקים, שעד כה נחשבו לאוניברסליים, נשברים כשמתבוננים בהם ברמת המיקרוסקופית. כאשר חומר מתקרב למעבר פאזה, כלומר למעבר ממצב של מוליך למצב של מבודד, מצופה שלזרם חשמלי שעובר בו תהיה צורה של פרקטל, כלומר שייראה אותו דבר בזום אין ובזום אאוט. פרקטלים עם מבנים דומים מופיעים במערכות שונות מאוד זו מזו החל במעבר של זרם חשמלי דרך חומר מוליך, עבור לחלחול של מים באדמה או של קפה דרך פילטר, ועד להתקדמות של אש ביער.

המשמעות האוניברסלית של החוק הזה היא שמבנה הפרקטל אינו קשור לתכונות המיקרוסקופיות של המערכת אלא לדברים כלליים יותר. אפשר לדמות את זה לחלחול מים שנראה אותו דבר בשני סוגים של קרקע. הזרם עוקף מכשולים בדרך הקצרה ביותר ומתפתל הלאה. מחקר שהוביל הדוקטורנט אילון פרסקי, בשיתוף עם חוקרים מאוניברסיטאות דלפט וסטנפורד, הראה שברמה המיקרוסקופית החוק האוניברסלי עשוי להפסיק להתקיים.

הניסוי של פרסקי בוצע במערכות אלקטרוניות דו-ממדיות – שכבה דקה מאוד של חומר, שניתן לגרוע ממנה אלקטרונים בהדרגה. כשצפיפות האלקטרונים מספיק נמוכה, ההולכה החשמלית נפסקת. חוקרי המעבדה ציפו שבצפיפות הקריטית, בשלב המעבר בין הפאזות, יקרו דברים מעניינים. הם צדקו.

התווך שבתוכו עובר הזרם בניסוי הוא ממשק בין שני סוגי קרמיקה, כל אחד הוא מבודד בפני עצמו. הממשק נוצר על ידי גידול שכבות אטומיות בודדות של חומר אחד על החומר האחר. האלקטרונים מצטברים בקו התפר בין שני החומרים וכך נוצרת שכבה מוליכה. הזרימה החד-ממדית נוצרה בגלל שהאלקטרונים בסנדוויץ' של שכבות הקרמיקה מושפעים מהמבנה הגבישי שלהן. הפסים החד-ממדיים הם פגמים בגביש. זה סוג מיוחד של פגמים, שאפשר לדמותם לחריצים שעושים בלחם לפני האפייה ואז כשהוא מוכן יש בו שקע. הדברים האלה יוצרים מעבר שאינו אוניברסלי, אלא כזה התלוי במאפיינים המיקרוסקופיים של המערכת ולא רק בתכונות כלליות שנכונות להרבה סוגים של חומרים.

במקום פרקטל, שהוא מבנה מפותל, התגלה שהזרם בהרבה מקומות מתקדם בקווים ישרים. הקווים האלה נוצרים בגלל פגמים מיקרוסקופיים בגביש, בקרמיקה, שמארחת את האלקטרונים. יש מעבר מזרימה דו-ממדית לזרימה בקווים חד-ממדיים ישרים. אפשר לדמיין את זה כמו עלה שצף על פני מים בנחל שהתוואי שלו טבעי. הוא שט לאטו בפיתולים הפרקטליים של הערוץ, ופתאום מגיע לתעלה ישרה, שנגרמה בשל שיבוש כלשהו, שהזרימה בה מהירה.

בנוגע לסוגי החומרים היו מספר שאלות פתוחות בעקבות ניסויים קודמים והייתה תמונה די ברורה של האופן שבו המעבר אמור להיראות. אבל בתוך התמונה הזאת היו פרטים שלא הסתדרו - למשל דגמים שונים מתנהגים בצורות שונות, לכל דגם נקודה קריטית משלו, כתלות בגודלו ועוד. המוטיבציה למחקר הייתה לנסות לתת תמונה מיקרוסקופית שתסביר את כל הפרטים האלה. ובאמת התגלית - שהמעבר לא אוניברסלי ותלוי בפגמים - פותרת את הבעיה: בכל חומר הפגמים מסודרים בצורה שונה ומסתבר שזה משפיע מאוד על המעבר.

זרם חשמלי מייצר שדות מגנטיים, וחיישן רגיש מאוד לשדות מגנטיים המפותח במעבדת קליסקי מצלם תמונות מיקרוסקופיות של השדה המגנטי, מהן ניתן להסיק את תמונת הזרם החשמלי. זאת יכולת שיש למעט מאוד קבוצות בעולם, שמאפשרת לעקוב מקרוב ובמדויק אחר השתנות ההולכה בשכבה עד השלב הקריטי. בכל נקודה ניתן לקבוע כמה זרם עבר.

משמעות התגלית היא שאם מתכננים מכשירים אלקטרוניים שעושים שימוש בשכבות הקרמיות צריך לקחת בחשבון שתתקיים זרימה חד-ממדית. יכול להיות שניתן יהיה לנצל את הזרימה החד-ממדית כדי לייצר רכיבים יעילים יותר, או עם תכונות ייחודיות. ברמה הכללית יותר, העבודה הזו מראה שפגמים, שבדרך כלל אנחנו מנסים לצמצם אותם ומתעלמים מהם בנסיונותינו להבין את החומר, יכולים לייצר התנהגות חדשה ומעניינת, ואפילו לקבוע את הטון.