המבנה החשמלי של מתכות, במיוחד של המתכות הקלות והפשוטות ידוע היטב. במתכות אלו, בקירוב טוב למדי, אלקטרוני ההולכה מתנהגים כאלקטרונים חופשיים, וכל האינטראקציות שלהן עם האטומים ניתנת לתיאור בתור שינוי במאסתם. בעוד שמצב המתכות הללו ידוע היטב בתנאים היומיומיים, קיימת שאלה פתוחה לגבי תכונותיהן של מתכות אלו, תחת לחץ גבוה.
לאחרונה בוצעו שני ניסויים שונים, אשר בוחנים בעקיפין מצב שכזה. בשני הניסויים, נבחרו מתכות קלות ופשוטות במיוחד, ותכונותיהן החשמליות נבחנו תחת לחץ פיזי גבוה במיוחד. כאשר מופעל לחץ פיזי גדול על המתכת, האטומים נדחסים זה לכיוון זה, ובכך עולה צפיפות המתכת, ועל כן ניסוי בתנאים שכאלו אכן בוחן את תכונותיהם של חומרים צפופים.
בניסוי הראשון, הראתה קבוצה מאוניברסיטת אוסקה, יפן, כי התכונות החשמליות של ליתיום משתנות לחלוטין כאשר מופעל עליו לחץ רב. החוקרים הפעילו לחץ עצום על פיסת ליתיום, באמצעות מלחציים הבנויות מיהלום. הלחץ המקסימאלי אשר הופעל בניסוי היה גדול מן הלחץ באטמוספרה פי כשמונה מאות אלף.
החוקרים מדדו את התנגדות פיסת המחתכת בטמפרטורה של 25 קלווין. בעקבות הפעלת הלחץ, עלתה התנגדות המתכת בצורה משמעותית ביותר, בלמעלה מארבעה סדרי גודל (כלומר פי עשרת אלפים ויותר). לאחר מכן בדקו החוקרים את תלות התנגדות בלחץ גבוהה, בטמפרטורה, וגילו כי תלות זו שונה מהתלות המוכרת במתכות, ולמעשה החומר עבר שינוי, והוא הפסיק להתנהג כמתכת, ועבר להתנהג כמוליך למחצה – שינוי דרסטי בתכונות החומר.
הניסוי השני נערך על ידי קבוצה מסין ועל מתכת אחרת – סודיום. בניסוי זה לקחו חוקרים שכבות דקות של סודיום, בעובי של 3 עד חמישה מיקרון בלבד, והפעילו עליהם לחץ כבד, פי 2 מן הלחץ בניסוי שתואר לעיל. כתוצאה מלחץ זה, באופן מפתיע הפכו השכבות לשקופות, ואור עבר דרכן בקלות. משמעות הדבר היא כי השכבות הפכו למבודדות או מוליכות למחצה, והן אינן מתכתיות תחת הלחץ הכבד.
בנוסף מדדו החוקרים את ספקטרום האור הנפלט משכבות הסודיום. נתונים אלו מעידים כי המבנה הגבישי של הסודיום עבר שינוי כלשהו, אולם לא בצורה אותה ניתן היה לחזור מראש, וטרם הובהר מהו המבנה החדש.
מדוע הפעלת לחץ גבוה משפיעה כל כך על תכונות החומרים? נראה כי מדובר בשילוב של שתי סיבות
א) צפיפות – בעקבות הפעלת הלחץ עולה צפיפות המתכת, והאטומים המרכיבים אותה מתקרבים זה לזה. בלחצים גבוהים מספיק, האטומים כה קרובים, עד שהם משפיעים האחד על מבנהו של האחר ומשנים את מסלול האלקטרונים סביב האטום. מבחינה זו הפעלת לחץ הנה דרך טובה ליצור חומר צפוף ולחקור את תכונותיהם של החומרים הצפופים, אולם ללחץ השפעה נוספת אותה יש לקחת בחשבון:
ב) שינוי במבנה הגביש – כל חומר גבישי מסודר במבנה מסוים, כאשר קיימים מספר סוגים שונים של מבנים. מבנה הגביש משפיע מאוד על התכונות החשמליות של הגביש. האטומים מסתדרים בגביש זה על מנת להקטין כמה שאפשר את האנרגיה שלהם. תחת לחץ גבוה, התנאים משתנים, והמבנה הגבישי עשוי להשתנות. שינויים שכאלו ישפיעו גם כן על התכונות החשמליות של הגביש.
הניסויים שלפנינו חושפים אם כן את השינוי הרב שעובר על מתכות תחת לחץ כבד. מהו המבנה המדויק אשר מתקבל תחת לחץ אינו ידוע בוודאות, ועדיין מתקיימים ניסויים על מנת לנסות ולבררו. שאלה זו הינה שאלה מרתקת בעיקר מבחינה מדעית, והניסויים שלפנינו מראים כי העובדה שאנו יודעים לחזות את תכנותיו של חומר בתנאים מסוימים (לחץ אטמוספרי), אינה מבטיחה כי נדע לחזות אותם במידה והתנאים ישתנו
מבחינה מעשית תכונותיהן של מתכות תחת לחץ כבד הינו רלוונטי, אולי, אם נרצה לתפעל כלים בעומק רב מתחת לפני האדמה. לשם השוואה, הלחץ בו בוצעו הניסויים הינו כרבע עד מחצית מן הלחץ במרכז כדור הארץ. כיום הפעלת כלים בעומק זה נראית כמדע בדיוני, אולם טבעו של המדע לשאוף להפוך את הבדיוני, למציאותי.
ההתקן בו נמדדה חתיכת הליתיום
שמאל למעלה – תמונה של ההתקן
ימין למעלה – תיאור סכמטי של אופן המדידה. מדובר במדידת 4 טרמינלים – זרם מוזרק לחתיכת הליתיום בין שתי אלקטרודות, ואילו המתח שמתפתח על המתכת נמדד בין שתי אלקטרודות שונות. בשיטה זו, התנגדות המתכת נמדדת באופן ישיר, והתוצאה אינה מושפעת מהתנגדות האלקטרודות
למטה – תיאור סכמטי של כל ההתקן, כולל מלחצי היהלום אשר הפעילו את הלחץ על המתכת
תוצאות המדידה
משמאל גרף המתאר את התנגדות הדוגמה כפונקציה של הלחץ בטמפרטורה קבועה, ניתן לראות עליה חדה בהתנגדות עם עלית הלחץ
מימין גוף המתאר את התנגדות הדוגמה כפונקציה של הטמפרטורה, כל קו מציין התנהגות בלחץ שונה. ניתן לראות כי בלחצים גובהים ההתנהגות שונה מאז בלחצים נמוכים, אינדיקציה לכך שהחומר הופך ממתכת למוליך למחצה
בבליוגרפיה
1. Pressure for change in metals, Nature 458, 158
2. Direct observation of pressure induced metal to semi-conductor transition in lithium, Nature458, 186
3. Transparent dense sodium, Nature 458, 182
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
