מדענים גילו שכשמניחים יריעות של גרפן זו על גבי זו בזווית מסוימת, המוליכות של החומר "משתגעת". הפוטנציאל של התגלית - עצום

אם פיזיקאים משתמשים במילה "קסם" כדי לתאר את תוצאותיו של ניסוי, ברור שמדובר במשהו מיוחד. קסם הוא דבר פנטסטי שאנחנו לא יודעים להסביר, רחוק מאוד מהשאיפה המדעית להסביר כל תופעה בעזרת חוקי טבע. ובכל זאת, חוקרים שמצאו עדויות לתופעות מעניינות וייחודיות שמתרחשות כשמניחים שכבה אחת של גרפן בסיבוב קל על גבי שכבה אחרת של אותו חומר, בחרו במילים "זווית הקסם" לתיאור אותה זווית קטנה בין שתי שכבות הגרפן שהדהימה אותם ואת עולם הפיזיקה.

גרפן הוא גם כך חומר מיוחד, שכן מדובר בשכבה דו-מימדית (בעובי של אטום אחד) של אטומי פחמן. בעקבות פיתוחו הפכו חומרים דו-ממדיים למושא המחקר של רבבות מחקרים, והגרפן מקושר שוב ושוב למילה מהפכה בתחומים רבים, ביניהם אלקטרוניקה, אנרגיה, רפואה וטיהור מים. שש שנים בלבד אחרי שהחוקרים אנדרה גיים (Geim) וקונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) הכריזו על גילויו, הם זכו בפרס נובל המהיר ביותר שניתן אי פעם בפיזיקה.

ההפתעות והפוטנציאל הגלומים בחומרים דו-מימדיים מזינים מחקרים רבים כיום. לפני ארבע שנים בערך גילו חוקרים שהמוליכות החשמלית של גרפן, שנחשבה גבוהה במיוחד מלכתחילה, אפילו טובה יותר מכפי שהעריכו. מוליכות גבוהה משמעה יעילות גבוהה יותר, שמובילה לצריכת חשמל נמוכה יותר ביישומים המבוססים על גרפן, שתיטיב עם הסביבה ותוזיל עלויות.

בשנה האחרונה דיווחו חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) שהנחת שתי יריעות של גרפן זו על גבי זו, בנטייה קלה שיוצרת זווית קטנה ומוגדרת היטב בין שתי היריעות המקבילות, מניבה התנהגות חשמלית ייחודית בטמפרטורות נמוכות במיוחד. היריעות המסובבות מראות שינויים במוליכות החשמלית כשמגבירים את השדה החשמלי שמושרה עליהן, והגרפן הופך מחומר עם מוליכות חשמל מצוינת למבודד (שאינו מוליך חשמל כלל) ובהמשך למוליך-על – כלומר חומר שיכול לעבור בו זרם חשמלי ללא התנגדות וללא איבוד אנרגיה.

התכונות יוצאות הדופן נחשפו לאחר שהחוקרים התגברו על קשיים טכניים גדולים והצליחו להניח יריעה אחת של גרפן בסיבוב קל של קצת יותר ממעלה אחת על גבי יריעת גרפן אחרת. חוסר ההתאמה הקל בין של שתי השכבות של שריג הפחמן השטוח  יוצר "סופר שריג" עם מחזוריות מיוחדת שמאפשרת לאלקטרונים לעבור בין שתי יריעות הגרפן. כך נוצרים כנראה  יחסי גומלין ייחודיים בין האלקטרונים שבאים לידי ביטוי בשינוי המוזר מחומר מוליך למבודד ולמוליך-על, שנצפה בטמפרטורה גבוהה רק במעט מהאפס המוחלט.

יחסי גומלין יחודיים בין השכבות משנים לחלוטין את תכונות ההולכת החשמלית של החומר. שתי שכבות גרפן | איור: MIT
יחסי גומלין יחודיים בין השכבות משנים לחלוטין את תכונות ההולכת החשמלית של החומר. שתי שכבות גרפן | איור: MIT

ההתנהגות שנצפתה מזכירה את ההתנהגות של משפחת חומרים מוליכי-על מבוססי נחושת שנקראת קופרטים. הקופרטים מראים הולכת חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות גבוהות במיוחד יחסית למוליכי-על אחרים והפכו למקור תקווה גדול להגשמת החלום של הולכת חשמל ללא איבוד אנרגיה גם בטמפרטורות קרובות לטמפרטורת החדר. אם המטרה הזאת תוגשם, זו תהיה מהפכת אנרגיה אדירה.

אחד המכשולים שמונעים מהפכה שכזו היא שאין לנו כיום תיאוריה שמסבירה היטב את ההתנהגות של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות. בהיעדר בסיס תיאורטי טוב קשה לפתח חומרים חדשים וטובים יותר. זו אחת הסיבות להתרגשות הרבה סביב הדיווחים האחרונים על שתי שכבות הגרפן וזווית הקסם ביניהם.

אמנם מדובר בשלב ראשוני מאוד, וההסבר המדויק לתופעה שנצפתה בשכבות הגרפן אינו ברור עדיין במלואו. אבל אם יתברר שהפיזיקה מאחורי התצפיות דומה לפיזיקה של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, תשתפר מאוד היכולת שלנו לבצע ניסויים ולפתח תיאוריה שתסביר את מוליכות העל בטמפרטורה גבוהה.

רק תצפיות תומכות בניסויים נוספים, ופיתוח תיאוריה מתאימה, יאפשרו לדחוף קדימה את חזון הולכת החשמל ללא התנגדות בטמפרטורת החדר. אם לשפוט לפי ההתרגשות בעולם המדע ומבול עבודות ההמשך והמודלים התיאורטיים שנולדים חדשות לבקרים בעקבות הממצאים על שכבות הגרפן המסובבות, ייתכן שמדובר בתחילתה של מהפכה, ולא רק בעוד עבודה על גרפן שמעוררת רעש תקשורתי.