חלקיקים מוארים, חלקיקים חשוכים

למוליכות-על ולנוזליות-על יש פוטנציאל הנדסי עצום, אך הצורך לקרר את החומרים כמעט עד לאפס המוחלט הוא כמובן מגבלה ניכרת. פרופ’ רונן רפפורט מהאוניברסיטה העברית בירושלים שואף להשיג את התכונות האלה בטמפרטורות גבוהות יותר, ואם החלקיקים הטבעיים אינם מספקים את הסחורה – אולי חלקיקים מלאכותיים  יעשו זאת.

בריכות האינסוף

פרופ’ רפפורט וקבוצתו בונים אפוא חלקיקים מלאכותיים, או קווזי-חלקיקים. תחילה בונים שכבה בעובי אטום יחיד מחומרים טבעיים – כגון סגסוגות של חומרים מוליכים-למחצה כמו גליום ארסנייד, או חומרים מוליכים-למחצה דמויי-גְרָפֶן (גרפן הוא שכבה בודדת של הגרפיט המוכר לנו מעפרונות). השכבה הזאת היא גביש בעל מבנה קבוע וחוזר על עצמו, ויש בה אלקטרונים רבים שמקורם באטומי הגביש. האלקטרונים האלה אינם קשורים לאטום מסוים, אלא יוצרים מעין “בריכת אלקטרונים”.

אם נוסיף מספיק אנרגיה למערכת, נעלה אלקטרון אחד לרמת אנרגיה גבוהה יותר וכך ניצור שתי “בריכות”: בגבוהה מביניהן יש אלקטרון אחד, ואילו בנמוכה יש “חור”, כלומר חוסר באלקטרון. מכיוון שלאלקטרון יש מטען שלילי, ה”חור” פועל כחלקיק בעל מטען חיובי. מטען חיובי ומטען שלילי נמשכים זה לזה; נזכיר שהאטום הפשוט ביותר בטבע, אטום המימן, בנוי מגרעין ובו פרוטון בעל מטען חשמלי חיובי, ומאלקטרון אחד בעל מטען חשמלי שלילי. בדומה לפרוטון החיובי ולאלקטרון השלילי שבאטום המימן, גם האלקטרון וה”חור” במערכת שלנו נמשכים זה לזה, ויוצרים מעין אטום מלאכותי, או קווזי-אטום. אלא שאטום מימן יכול להתקיים כמעט לנצח, ואילו הקווזי-אטום שלפנינו הוא תופעה חולפת: האלקטרון שבבריכה הגבוהה מנסה לחזור למקומו שבבריכה הנמוכה, ולאחר זמן קצר מאוד האלקטרון חוזר למקומו תוך פליטת אור. מערכת כזו נקראת אקסיטון.

האטומים המלאכותיים האלה גדולים וקלים מאוד, ולכן התופעות הקוונטיות הקולקטיביות מופיעות בהם בטמפרטורה גבוהה יחסית. אין צורך לקרר את החומר לטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט – אפשר להסתפק בכמה מעלות קלווין, ובעתיד אולי אפילו בטמפרטורת החדר בעבור חומרים מסוימים.

האם אפשר ליצור במערכת כזו דיפול חשמלי, ואם כן – מה תהיה התוצאה? כדי ליצור דיפול חשמלי, יש להפריד במרחב בין האלקטרון שברמת האנרגיה הגבוהה לבין ה”חור” שממנו הגיע, כך שיימצאו בשכבות אטומיות סמוכות. הפרדה כזו יוצרת שכבה של אלקטרונים ושכבה של “חורים”. כל צמד של אלקטרון ושל “חור” הוא קווזי-אטום המתאפיין בדיפול חשמלי, וכל הדיפולים שבמערכת נמצאים באותו כיוון.

“אלה מערכות מרתקות”, אומר פרופ’ רפפורט. “נוסף על תכונותיהן המפתיעות, המרחיבות את גבולות הידוע לנו על החומר, יש להן גם פוטנציאל מעשי עצום”.