מדחום זעיר במיוחד איפשר לקבוצת מדענים בינלאומית, שמרכזה במכון ויצמן למדע, לחשוף ליקויים זערוריים גם בחומר הדק ביותר בעולם

מאז שאנדרה גיים (Geim) וקונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) מאוניברסיטת מנצ'סטר הצליחו לבודד מגרפיט – החומר שממנו מורכב המילוי של העיפרון, שכבת פחמנן בעובי של אטום בודד, המכונה גרפן, החומר הזה לא מפסיק להפתיע. עוד לפני שזיכה את מגליו בפרס נובל בפיזיקה חזו מדענים שתהיה לו מוליכות החשמלית יוצאת דופן ושיהיה חזק במיוחד יחסית למשקלו הנמוך.

מאז ועד היום העניקו תכונותיו השראה לשלל פיתוחים טכנולוגיים, כגון מסכי מגע וחומרים לתעשיות התעופה והחלל. אולם, גם אחרי יותר מעשור של מחקר אינטנסיבי נותרו שאלות פתוחות רבות לגביו. אחת מהן היא: איך ייתכן שיש לו התנגדות חשמלית?

אטומי הפחמן של הגרפן מסודרים כמשושים במישור בצורה שמזכירה יערת דבש. המבנה הזה אמור לאפשר לאלקטרונים לנוע בלי התנגדות. אם נדמה את הגרפן למשטח חלק, ואת האלקטרונים לכדורים שמחליקים עליו, היינו מצפים שהכדורים ינועו על המשטח באין מפריע. למרות זאת, כל מדידות המוליכות שנעשו עד כה בגרפן מעידות שה"כדורים" דווקא נתקלים בהתנגדות. עד כה לא היה ברור מהו התהליך המיקרוסקופי שמפריע ל"כדורים" לנוע על פני המשטח.

חוקרים מהמעבדה של אלי זלדוב מהמחלקה לפיזיקה של מצב מוצק במכון ויצמן למדע, בהובלת דורי הלברטל ובשיתוף חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר,בהם גיים עצמו, דיווחו לאחרונה בכתב העת Science שהם הצליחו לזהות באופן ישיר את המנגנון שיוצר את ההתנגדות בגרפן. התהליך הזה קשור לפגמים זעירים במבנה הסדור של החומר, בקנה מידה אטומי.

כדי למצוא מאין באה ההתנגדות של הגרפן נעזרו הלברטל ועמיתיו בשיטת דימות המבוססת על חום. השיטה הזאת מזכירה את האופן שבו פועלים אמצעי ראיית לילה צבאיים המבוססים על חום, שמאפשרים להבחין למשל בין אדם לבין קרקע בזכות הבדלי הטמפרטורה ביניהם – אבל בקנה מידה הרבה יותר קטן.

מדחום רגיש במיוחד שפיתחה הקבוצה של זלדוב, המבוסס על מחט בעלת חוד בעובי של עשרות ננומטרים (מיליארדיות המטר) בלבד, איפשר להם למדוד שינויי טמפרטורה ברגישות של כמליונית המעלה, ולזהות שינויים במבנה החומר ברמת פירוט גבוהה במיוחד. המדידות חייבות להיעשות בטמפרטורה קרובה למינוס 270 מעלות צלזיוס, כארבע מעלות מעל האפס המוחלט.

טבעות החום

כדי לזהות את הפגמים האטומיים בגרפן לא די במדחום הרגיש. הלברטל ועמיתיו השתמשו בקצה המדחום גם כדי ליצור הפרעה חשמלית שתעורר תנודה מקומית של אלקטרונים בגרפן. כלומר, הם כביכול ניערו מקומית את המשטח והרטיטו את "כדורי" האלקטרונים שעליו, ואז בדקו איך הם מתגלגלים עקב ההפרעה.

להפתעתם, באזורים מסוימים של הגרפן ובמאפיינים מסוימים של הניעור הבחינו החוקרים שהאלקטרונים של הגרפן מאבדים אנרגיה ופולטים חום, דבר שמעיד שהם נתקלו במשהו במהלך תנועתם.

בשיחה עם אתר דוידסון הסביר הלברטל: "הטבעות הללו הן ממצא מפתיע במיוחד. במרכז כל טבעת יש פגם זעיר, שהוא המקור להתנגדות של הגרפן. גילינו שהפגמים נמצאים בעיקר בקצה של הדוגמה ולא במרכזה. אילו היינו משתמשים במדחום רק בתור מדחום, היינו רואים שהקצוות חמים והמרכז קר. בזכות היכולת לעורר הפרעה מקומית, הצלחנו להדליק או לכבות פגם מסוים בקנה המידה האטומי, ולזהות פגמים בודדים גם במרכז משטח הגרפן".

לדברי הלברטל, מדובר בתגלית פורצת דרך בשני מישורים. "גילינו את התהליך המרכזי שהופך את הגרפן לחומר לא מושלם. הצלחנו לזהות תהליך שבו אלקטרון אחד פגש פגם אטומי אחד, שגרם לתנודות קלות בגרפן שחיממו אזור זעיר. זה תהליך מאוד קטן שאנחנו מצליחים למדוד בזכות המדחום הייחודי שפיתחנו והיכולת שלנו להדליק ולכבות את הפגמים. מעבר לתרומתנו לזיהוי פגמי הגרפן, שיטת המדידה שלנו פותחת צוהר לחקר תהליכים של מעברי אנרגיה בחומרים אחרים ברמת רגישות חסרת תקדים".