אחד המאפיינים המעניינים ביותר של מערכות המורכבות מאלקטרונים רבים, הינם המצבים המעוררים היציבים שלהם, כלומר מצבים בעלי אנרגיה מועטה הגבוהה ממצב היסוד של המערכת, אשר מתקיימים לאורך זמן רב. מצבים אלו נקראים פעמים רבות קוואזי-חלקיקים, שכן ניתן להסתכל עליהם כעל ישויות עצמאיות, בדומה לאלקטרונים, ולחקור את התנהגותם. מאחר וקוואזי-חלקיקים אלו מורכבים מאלקטרונים רבים, אשר באים באינטראקציה מסובכת האחד עם כל חבריו, תכונותיהם יכולים להיות שונות מאוד מתכונות האלקטרונים הבודדים המרכיבים את המערכת.
אחת הדוגמאות לכך הינם הסקרמיונים. סקרמיונים נוצרים בחומרים בהם האלקטרונים מסודרים כך שהספין של כל אלקטרון מכוון בדיוק באותו הכיוון כמו של כל שאר האלקטרונים, לדוגמה עקב נוכחותו של שדה מגנטי חיצוני חזק, אשר מכוון את ספין האלקטרונים לכיוון אליו הוא מצביע, וכך מקטין את האנרגיה.
במצב שכזה, קשה מאוד לאלקטרון בודד להפוך את הספין שלו, הדבר דורש אנרגיה רבה, לעומת זאת, אם מסיבה כלשהי מתחיל להיווצר שינוי בספין של אחד האלקטרונים, המערכת תעדיף ליצור סקרמיון, שהוא מעין מערבולת של ספין. במקום לשנות באופן חד את הספין של מספר אלקטרונים בודדים, אלקטרונים רבים משנים את הספין שלהם במידה מועטה, כל אחת מוסט קצת מן השני, כפי שניתן לראות בתמונה. התוצאה הינה סקרמיון. זהו למעשה חלקיק אשר מיקומו מוגדר היטב במרחב.
סקר מיונים הינם מעניינים במיוחד מאחר ויש להם אינטראקציה עם אלקטרונים. אם נדע היכן נמצא סקרמיון ונשלח אלקטרון אשר יחצה אותו, יקרו שני דברים. תחילה הספין של האלקטרון יסתובב בזמן שהוא נע בתוך הסקרמיון, וכאשר הוא יצא ממנו ישלים הספין סיבוב שלם. שנית, עקב סיבוב זה של הספין, האלקטרון והסקרמיון ידחו האחד את השני ועל כן האלקטרון יסטה ממסלולו המקורי.
המשמעות של כך היא שבאמצעות סקרמיונים ניתן להשיג קשר ישיר בין מסלולו של האלקטרון לספין שלו, תכונה חשובה בשדות מחקר וטכנולוגיה חדשים ומעניינים כגון ספינטרוניקה.
עד לאחרונה, היה ידוע כי סקרמיונים יוצרים מבנים מחזוריים, סריגים. השיטות הניסיוניות להבחנה בהם, התבססו על עובדה זו והבחינו רק בעצם קיומו של המבנה המחזורי. אולם כעת נמדדו לראשונה סקרמיונים בודדים. קבוצת מדענים יפן הצליחו לזהות סקרמיונים על ידי מדידת המגנטיזציה על פני השטח, של מגנטים מסוג מיוחד הנקרא מגנטיים קירליים. במגנטים אלו, בנוסף לסדר המגנטי הרגיל, השואף לכוון את כל הספינים של האלקטרונים באותו כיוון, קיימים אי סדר מסוים בסריג הבסיסי ממנו החומר מורכב, דבר אשר מעודד את האלקטרונים לשנות מידי פעם את הספין שלהם. מאחר וכמות האנרגיה הנדרשת לשנות ספין בודד גבוהה מאוד, נוצרים בחומרים אלו סקרמיונים, אשר דומים למערבולת, כל שבשפת המערבולת הספין של האלקטרונים עדין מצביע בכיוון "הנכון" אליו מצביעים שאר האלקטרונים בחומר, אולם במרכז המערבולת הספין מצביע לכיוון ההפוך (ראו תמונה).
על ידי מדידה מדויקת של מיקום הסקרמיונים, יכלו החוקרים להדגים כי סקרמיונים אלו אכן מסתדרים במבנה מחזורי, סריג חלת דבש, ויכלו למדוד תכונות שונות של סריג זה, כגון המרחק בין הסקרמיונים השכנים, התלות של יציבות הסריג בטמפרטורה וכו'.
מחקר זה פותח את הפתח למחקרים מקיפים יותר, אשר יעזרו בידע שנצבר אודות סקרמיונים על מנת לחקור את השפעתם על זרם המוזרם בדוגמה, בתקווה שתכונות אלו עשוית לסייע בעתיד, בין היתר, לתכנון רכיבים אלקטרונים העושים שימוש לא רק במטען האלקטרון, אלא גם בספין שלו.
תמונה – המחשה של סקרמיון, החיצים מתארים את כיוון הספין של האלקטרונים המרכיבים את הסקרמיון. כמו כן מתואר המסלול שיעבור אלקטרון אשר יחצה את הסקרמיון (הספין שלו יסתובב והוא ידחה מהסקרמיון)
בבליוגרפיה
Real-space observation of a two-dimensional skyrmion crystal, X. Z. Yu, Y. Onose, N. Kanazawa, J. H. Park, J. H. Han, Y. Matsui, N. Nagaosa, Y. Tokura, Nature 465, 901-904
Condensed-matter physics: Single skyrmions spotted,, Christian Pfleiderer, Achim Rosch Nature 465, 880-881
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.
