לאחרונה הראו חוקרים בקבוצתו של אטאק איממוגלו (Atac Imamoglu) מהמכון לאלקטרוניקה קוונטית בציריך (ETH Zurich), כי ניתן למדוד את תוצא פאראדיי (Faraday Effect) של אלקטרון בודד, אשר כלוא בתוך נקודה קוונטית [Quantum Dot]. תוצא זה, על שמו של הפיסיקאי הדגול מייקל פאראדיי (Michael Faraday), היה ההדגמה הראשונה (ב-1845) של הקשר בין אור מקוטב ומגנטיות. אור הינו גל אלקטרומגנטי בעל שדה חשמלי ומגנטי המתנדנדים לסירוגין, ולכל אחד מהם כיוון רגעי במרחב בכל רגע נתון בזמן. אור נקרא מקוטב כאשר רכיב השדה החשמלי שלו הינו בעל כוון מוגדר (הכיוון של E בתמונה). כאשר הוא עובר דרך תווך בעל מומנט מגנטי (הכיוון B בתמונה) [מומנט מגנטי - תכונה של חומר כגון מגנט אשר גורמת לאינטראקציה של אותו חומר עם שדות מגנטיים חיצוניים בקרבתו], הוא חווה שינוי בזווית הקיטוב (בתמונה - b), שינוי הניתן למדידה באמצעות מערכת מקטבים מתאימה. זהו תוצא פאראדיי.
נקודה קוונטית הינה מעין "קופסה" שגודלה בדרך כלל בין ננו-מטרים [10-9מטרים] למיקרו-מטרים [10-6מטרים]. האלקטרונים החופשיים אשר בתוכה נמצאים המצבי אנרגיה מוגדרים היטב, כבתוך אטום מלאכותי גדול, הבנוי למעשה מאטומים רבים. באמצעות הפעלת שדה מגנטי חזק על הנקודה הקוונטית, גרמו החוקרים לאלקטרון החופשי היחיד בתוך הנקודה לבחור לו מצב ספין מוגדר [הספין הינו תכונה קוונטית של האלקטרון המעניקה לו מומנט מגנטי], דבר הדומה למה שיקרה אם נשים מגנט קטן ליד הקוטב של מגנט גדול. אז מיקדו החוקרים קרן לייזר אשר עברה דרך הנקודה הקוונטית. החוקרים הראו כי כאשר האלקטרון נמצא במצב ספין מוגדר, הוא גורם לתוצא פאראדיי לאור העובר דרכו. בעבר נמדד תוצא פאראדיי בקבוצות גדולות של נקודות קוונטיות, אולם זו הפעם הראשונה שהמדידה מתבצעת עם אלקטרון בודד. החוקרים הדגימו גם כי רק באחוז קטן של הזמן האינטראקציה בין האלקטרון לפוטון גורמת להיפוך ספין האלקטרון. לניסוי ישנה חשיבות רבה לצורך האפשרות להשגת שליטה בספינים בודדים. שליטה בספינים בודדים בתורה הינה לדעת חוקרים רבים חיונית להשגת המטרה של אלקטרוניקה חדשה המבוססת על הספין של האלקטרון לעומת האלקטרוניקה הקיימת המבוססת על המטען.
הסבר מורחב על התיאוריה שמאחורי הניסוי:
כל אלקטרון נושא איתו "ספין" (Spin), שהוא המקבילה הקוונטית של מגנט, וככזה האלקטרון מייצר מעין שדה מגנטי בעל כיוון מוגדר, להלן "כיוון הספין". ניתן לחשוב על הספין באופן קלאסי כעל לולאת זרם קטנה, אשר בה זורם מטען של אלקטרון אחד, ולולאה זו מייצרת לפי חוקי האלקטרומגנטיות את השדה המגנטי.כיוונו של השדה המגנטי, או הספין של האלקטרון, נקבע בתיאור זה על-ידי כיוון הזרם. גם לקרני האור תכונה דומה לספין, הנקראת קיטוב, הקשורה לכיוונו של השדה החשמלי הרגעי. כאשר השדה החשמלי מסתובב, מקובל לומר כי קרן האור הינה בעלת "בורגיות" (Helicity) מוגדרת. בתהליכי בליעה ופליטה של פוטונים [מנות קוונטיות של אור] באטומים, אלקטרון משנה את מצבו האנרגטי בהתאם, כלומר "מדלג" בין רמות האנרגיה, אם מנת האנרגיה של הפוטון [כלומר, התדר] מתאימה להפרש האנרגיות בין המצבים האלקטרוניים המותרים. בנוסף, בתהליכים אלו קשורים הבורגיות של הפוטון הנבלע והספין של האלקטרון המדלג קשר הדוק: פוטון בעל בורגיות מוגדרת יכול לעורר רק אלקטרון בעל בורגיות מוגדרת, ובכך הוא "בורר" את האלקטרון עם הספין המתאים, במידה וקיימים שני אלקטרונים באותו מצב אנרגיה. במידה והאנרגיה של הפוטון אינה מתאימה בדיוק לאנרגיה הנדרשת למעבר אלקטרוני, עדיין ישנה אינטראקציה בין האלקטרון לפוטון, המתבטאת בשינוי של הפאזה [פאזה - מיקומו היחסי של נקודת שיא של גל מחזורי ביחס לגל אחר בעל אורך מחזור זהה] של גל האור המתפזר מהאטום ביחס לפאזת הגל שנכנס. אולם רק רכיב הבורגיות המתאים לספין "חש" שינוי פאזה, דבר המאפשר לזהות איזה ספין עשה אינטראקציה עם האור.
בבליוגרפיה
M. Atatüre, J. Dreiser, A. Badolato and Atac Imamoglu, Observation of Faraday rotation from a single confined spin, Nature Physics 3, 101 (2007).
מאת: ערן גנוסר
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.
