מערבולת האלקטרונים

תופעות בסיסיות הקשורות לחשמל התגלו על ידי תרבויות עתיקות כבר כ-3,000 שנים לפני הספירה, אך רק ב-300 השנים האחרונות החלו פיזיקאים לחקור לעומק את תופעת הטבע המרהיבה ורבת העוצמה הזאת. גם כיום, התקדמות המדע ממשיכה להרחיב את ידיעותינו על אודותיה – וכעת גילו חוקרים כי בתנאים מסוימים אלקטרונים בזרם חשמלי יוצרים מערבולות, בדומה למערבולות הנוצרות בזרמי מים.

כאשר מתח חשמלי מופעל לאורכו של חומר מוליך, כגון המתכת שבחוט חשמל, נוצר זרם חשמלי שנע דרך החומר. במאה השנים האחרונות גילו פיזיקאים כי הזרם החשמלי נובע מתנועה של חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי, הנקראים אלקטרונים; וכי אפשר להסביר את תכונותיו של הזרם החשמלי על ידי ניתוח הפיזיקה של האלקטרונים ושל החומר שבו הם נעים. תגליות אלו הובילו בין היתר להשערה שבתנאים מסוימים, תנועת האלקטרונים בחומר תהיה דומה לתנועת נוזלים יותר מאשר לתנועת חלקיקים – תופעה שעשויה להתבטא בזרימה מערבולתית של אלקטרונים בחומר. במחקר חדש, חוקרים ממכון ויצמן ומ-MIT השתמשו באמצעי חישה מיוחד והצליחו לראשונה למדוד זרימה מסוג זה של אלקטרונים בחומר.

אוהם ומקסוול הסבירו כיצד נוצר זרם במעגל חשמלי. מעגל חשמלי במקביל עם שתי נורות | DK Images, Science Photo Library

המאות ה-18 וה-19: פענוח תופעת הזרם החשמלי

במהלך המאות ה-18 וה-19 עמלו פיזיקאים רבים בניסיון להבין את חוקי הטבע המתארים תופעות חשמליות. בתחילת המאה ה-19 ניסח הפיזיקאי הגרמני גיאורג אוהם (Ohm) חוק מדעי הקושר בין המתח ובין הזרם במעגל חשמלי. חוק זה נקרא חוק אוהם. בהמשך, המדען והמתמטיקאי הסקוטי ג'יימס קלרק מקסוול (Maxwell) ניסח את חוקי מקסוול, שמתארים את התנהגותם של שדות חשמליים ומגנטיים. חוקים אלו העניקו הסבר מעמיק יותר למגוון רחב של תופעות, ובהן גם האופן שבו נוצר זרם במעגלים חשמליים. אף על פי כן, עדיין לא היה מענה על כמה שאלות בנוגע לטבע הזרם החשמלי בחומר: כיצד אפשר לקשור בין התכונות המיקרוסקופיות של המוליך ובין השפעתו על זרימת החשמל דרכו?

בשנת 1897 גילה הפיזיקאי האנגלי ג'וזף ג'ון תומסון (Thomson) את האלקטרון, חלקיק יסודי בחומר הנושא מטען חשמלי שלילי. שלוש שנים בלבד לאחר מכן, פיזיקאי גרמני בשם פאול דרודה (Drude) פרסם מודל שמסביר את הפרטים המיקרוסקופיים של הזרימה החשמלית בחומר בהתאם להבנה שהזרם החשמלי בחומר אינו אלא תנועה של אלקטרונים בתוכו. מודל דרודה מניח שהאלקטרונים כמעט אינם משפיעים זה על זה, וכי הגורם העיקרי המשפיע עליהם הוא המטענים החיוביים שבמוליך. האלקטרונים נעים בחומר בהשפעת המתח החשמלי הפועל עליהם, ומדי פעם נתקלים במכשול – אטום שכמה מהאלקטרונים שלו עזבו אותו כדי לנוע במוליך, והפך כתוצאה מכך לחלקיק בעל מטען חשמלי חיובי, או יון חיובי. מכיוון שהחלקיק החיובי הוא הרבה יותר גדול וכבד מאשר האלקטרון, הרי שהאטום בעל המטען יישאר במקומו, ואילו האלקטרון ייעצר או ישנה את כיוון התנועה שלו. 

מודל דרודה הוא מודל פשוט יחסית, והוא נוסח לפני הגילוי של טבעם הקוונטי של חלקיקים תת-אטומיים. אך למרות מגבלותיו, הוא מוצלח באופן מפתיע: הוא הצליח להסביר כמה תופעות שכבר היו ידועות אז, כגון התנגדות של מוליכים, האופן שבו זרם חשמלי מייצר בהם חום וכיצד הוא מתפשט בהם, ואף התאים לתוצאות של ניסויים ידועים בתחום.

תומסון גילה שהאלקטרון הוא הוא חלקיק תת-אטומי בעל מטען שלילי. הדמיה של גילוי האלקטרון | Frances Evelegh, Science Photo Library

המאה ה-20: הקוונטים נכנסים לתמונה

במהלך המאה ה-20, עלייתה של תורת הקוונטים הובילה להחלפה של מודל דרודה בתיאוריה המביאה בחשבון את האופי הקוונטי של האלקטרונים. על פי המודלים המודרניים, חומר מוליך בנוי מסריג של אטומים, שהאלקטרונים נעים ביניהם. 

אחד השינויים המשמעותיים בתיאוריה קשור להבנה שלפי תורת הקוונטים אלקטרונים חייבים לקיים את עקרון האיסור של פאולי, שלפיו אלקטרון לא יכול להיות במצב קוונטי זהה לאלקטרון אחר. עיקרון זה מסביר כי האלקטרונים בחומר משפיעים זה על זה בדרכים שאינן ניתנות להסבר לפי התיאוריות הקלאסיות משום שלכל אלקטרון יש מצבים "אסורים" ו"מותרים". נוסף על כך, מתברר שלמאפייני האטומים ולסידורם בחומר יש השפעה רבה על היכולת של האלקטרונים לנוע בחומר וליצור זרם חשמלי. בפועל, ברוב החומרים המוכרים לנו מחיי היומיום, האלקטרונים שנעים בחומר מושפעים הרבה יותר מהאטומים שבחומר מאשר מהאלקטרונים האחרים בסביבתם. על כן, המודל הקוונטי המקובל דומה למודל דרודה בכך שהוא מזניח את השפעת האלקטרונים זה על זה, אך שונה בכך שהוא מביא בחשבון את האופי הקוונטי של החומר, ועל כן מניב תוצאות שונות ומדויקות יותר.

החוקרים בנו מוליך דק וארוך, בעל צורה ייחודית כך שמשני עבריו האלקטרונים זורמים בסיבוב ויוצרים מערבולת. אלקטרונים זורמים בתוך מוליך | Equinox Graphics, Science Photo Library

נחל של אלקטרונים

בשנים האחרונות חזו פיזיקאים כי בתנאים מיוחדים, כמו בחומרים מסוימים בעלי מבנה גבישי ייחודי וטמפרטורות קרות במיוחד, השפעת האלקטרונים זה על זה תהיה גדולה יותר, באותו סדר גודל של השפעת האטומים עליהם. במצב כזה ניתן לצפות כי תנועת האלקטרונים בחומר תהפוך לזרימה דמוית נוזל – למעשה, המשוואות שמתארות את תנועת האלקטרונים במצב זה זהות למשוואות המתארות את זרימתם של נוזלים. הסיבה לכך היא שהכוחות שהאלקטרונים מפעילים זה על זה משמשים כמנגנון להעברה של אנרגיה מאלקטרון לאלקטרון, ובתנאים המיוחדים של הניסוי הם מאפשרים לאלקטרונים להתנהג באופן קולקטיבי כנוזל, ולא כפריטים בודדים כפי שמתאר מודל דרודה. במחקר חדש שפורסם בכתב העת המדעי Nature, חוקרים במכון ויצמן בשיתוף פעולה עם המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ואוניברסיטת קולורדו שבדנבר הצליחו למדוד זרימה דמוית נוזל של אלקטרונים בחומר.

החוקרים יצרו רכיב מוליך דק ומוארך בעל חלקים מעגליים בשני צדדיו. ננסה לדמיין מה יקרה אם נשפוך מים למכל שזו צורתו: רוב המים יזרמו לאורך החלק המרכזי הצר, אבל חלק מהם ייכנס לחללים הצדדיים ויזרום לאורך הדופן המעגלית, וכך תיווצר מערבולת. 

החוקרים ציפו שכאשר יפעילו על הרכיב המוליך מתח חשמלי בתנאים מתאימים, יוכלו לצפות בזרימה חשמלית בעלת מאפיינים דומים לזרימת המים שתיארנו. אבל כיצד יוכלו למדוד אותה? החוקרים השתמשו במכשיר שנקרא SQUID on Tip: מעגל חשמלי קטן העשוי מחומר על-מוליך ומונח בקצה מחט בעובי מיקרון (מיליונית המטר). המעגל העל-מוליך רגיש מאוד לשדות מגנטיים, ובזכות המחט הזעירה הנעה לאורך הדוגמית, הוא יכול למדוד שדות מגנטיים חלשים מאוד בדייקנות רבה. מכיוון שכל זרם חשמלי מייצר שדה מגנטי שכיוונו תלוי בכיוון הזרם, מדידת השדות המגנטיים בחומר מספקת מיפוי מלא של כיוון הזרם ועוצמתו בכל נקודה במוליך.

באמצעות מכשיר המדידה הזה, יכלו החוקרים לנסות למדוד את התופעה המיוחדת. ואכן, כאשר החוקרים יצרו זרם חשמלי לאורך המוליך שבנו, הם מדדו זרם חשמלי מערבולתי בחלקים המעגליים. לעומת זאת, כאשר החוקרים חזרו על הניסוי עם מוליך דומה ממתכת פחות "נקייה", כלומר שהאלקטרונים שבה מושפעים בצורה חזקה יותר מסריג האטומים בחומר, לא נמדדה זרימה מערבולתית. ממצא זה אישש את ההנחה שהזרימה המערבולתית קשורה להשפעה המעטה יותר של האטומים בחומר על האלקטרונים ביחס לכוחות האחרים הפועלים עליהם. 

מדידות נוספות הראו כי להופעתה ולעוצמתה של הזרימה המערבולתית יש קשר חזק גם לצורתו של הרכיב המוליך, וכי שימוש במוליך דק במיוחד מגביר את הזרימה המערבולתית. 

ניסוי זה הוא ההדגמה הראשונה של זרימה מערבולתית של אלקטרונים בחומר, ופותח צוהר להמשך המחקר בתחום החדש והמרתק הזה. מלבד העניין המדעי הטהור, לזרימה דמוית נוזל של אלקטרונים בחומר יש פוטנציאל טכנולוגי רב. היא יעילה יותר ומייצרת פחות חום, ועשוי להיות לה ערך בפיתוח רכיבים מיקרו-אלקטרוניים יעילים.