מדענים במעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה האמריקני גילו מצב מגנטי של חומר שנחזה לפני כמעט 60 שנה, הנקרא "מבודד מעורר אנטי-פרומגנטי".
המצב המגנטי החדש כרוך במשיכה מגנטית חזקה בין אלקטרונים בחומר השכבתי, הגורמת לאלקטרונים ליישר את המומנטים המגנטיים שלהם, או "הסתובבות", בתבנית "אנטי-פרומגנטית" קבועה למעלה ולמטה. אנטי-פרומגנטיות כזו יכולה להיגרם על ידי קשר אלקטרוני כימרי בחומר הבידוד. קשר זה נחזה לראשונה בשנות ה-1960, כאשר פיזיקאים חקרו את התכונות השונות של מתכות, מוליכים למחצה ומבודדים.
"לפני שישים שנה, פיזיקאים רק התחילו לחשוב כיצד חוקי מכניקת הקוונטים חלים על התכונות האלקטרוניות של חומרים. הם ניסו לברר מה קורה כאשר "פער האנרגיה" האלקטרוני בין המבודד למוליך הולך וקטן. נשאלת השאלה: האם פשוט נהפוך מבודד פשוט למתכת שבה אלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות, או שמשהו מעניין יותר יקרה?", אמר המדען דניאל מזונה. נחזה כי בתנאים מסוימים ניתן להשיג "מבודד מעורר אנטי-פרומגנטי" - בדיוק מה שגילה צוות ברוקהייבן. מדענים אמרו מה הופך את החומר הזה לכל כך אקזוטי ומעניין.
באנטי-פרומגנטיות, צירי הקיטוב המגנטיים (ספינים) של אלקטרונים על אטומים שכנים מכוונים בכיוונים מתחלפים: למעלה, למטה, למעלה, למטה, וכן הלאה. בקנה מידה של החומר כולו, האוריינטציות המגנטיות הפנימיות המתחלפות הללו מבטלות זו את זו, וכתוצאה מכך אין מגנטיות נטו בכל החומר. חומרים כאלה יכולים לעבור במהירות בין מצבים שונים. הם גם עמידים לאובדן מידע עקב הפרעות משדות מגנטיים חיצוניים. מאפיינים אלו הופכים חומרים אנטי-פרומגנטיים לאטרקטיביים עבור טכנולוגיות תקשורת מודרניות.
אקסיטונים מתרחשים כאשר תנאים מסוימים מאפשרים לאלקטרונים לנוע ולקיים אינטראקציה חזקה זה עם זה, ויוצרים מצבים קשורים. אלקטרונים יכולים גם ליצור מצבים קשורים עם "חורים" - חללים ריקים שנותרו לאחר שהאלקטרונים עוברים למיקום אחר או לרמת אנרגיה אחרת בחומר. במקרה של אינטראקציות "אלקטרון-אלקטרון", הקשר נובע ממשיכה מגנטית - חזקה מספיק כדי להתגבר על כוח הדחייה בין שני חלקיקים טעונים זהים. במקרה של "חור אלקטרוני" - המשיכה צריכה להיות חזקה מספיק כדי להתגבר על "פער האנרגיה" של החומר, האופייני למבודד.
"מבודד הוא ההפך ממתכת. זהו חומר שאינו מוליך חשמל. אלקטרונים בחומר נשארים בדרך כלל במצב אנרגיה נמוך, או "קרקע". נראה שכל האלקטרונים נתקעים במקומם, כמו אנשים באוטובוס צפוף. כדי לגרום לאלקטרונים לנוע, אתה צריך לתת להם מספיק אנרגיה כדי לגשר על הפער האופייני בין מצב הקרקע לרמת אנרגיה גבוהה יותר", אמר הפיזיקאי מארק דין.
בנסיבות מיוחדות מאוד, הרווח באנרגיה מאינטראקציות מגנטיות של "אלקטרון-חור" יכול לגבור על עלויות האנרגיה של אלקטרונים ש"קופצים" על פני "פער האנרגיה". כעת, הודות לטכניקות מתקדמות, פיזיקאים יכולים לחקור את הנסיבות המיוחדות הללו כדי ללמוד כיצד נוצר מצב מבודד האקסיטונים האנטי-פרומגנטי.
מדענים החלו את מחקריהם בטמפרטורות גבוהות וצינרו את החומר בהדרגה. כשהתקרר, פער האנרגיה הצטמצם בהדרגה. בערך ב-11 מעלות צלזיוס, האלקטרונים החלו "לקפוץ" בין השכבות המגנטיות של החומר, אך מיד יצרו זוגות קשורים עם ה"חורים" שנשארו על ידם, ובמקביל הפעילו את היישור האנטי-פרומגנטי של ספינים של אלקטרונים שכנים.
"באמצעות קרני רנטגן, ראינו שהקשירה הנגרמת על ידי המשיכה בין אלקטרונים וחורים למעשה מחזירה יותר אנרגיה מאשר כאשר אלקטרון קופץ על פני פער הרצועה." להסביר מדענים
הזיהוי של מעורר מבודד אנטי-פרומגנטי משלים מסע ארוך של חקר הדרכים המרתקות שבהן אלקטרונים בוחרים את מיקומם בחומרים. בעתיד, להבנת הקשר בין ספין למטען בחומרים כאלה עשוי להיות פוטנציאל לממש טכנולוגיות חדשות.
קרא גם:
השאירו תגובה