חוקרים מהטכניון ומגרמניה הדגימו לראשונה כיצד אפשר לשלוט בתנועת אלקטרונים בתוך חומר קוונטי באמצעות פולסי לייזר אולטרה-קצרים. הממצאים, שפורסמו בכתב העת Nature Physics, מראים כיצד אפשר לשנות את תכונותיו של גרפן באמצעות אור ולשלוט בתגובות האלקטרונים בתוכו. להישג עשויות להיות השלכות על פיתוח רכיבים אלקטרוניים מהירים וחסכוניים יותר, וכן על טכנולוגיות תקשורת, חישה ומחשוב.
המחברים הראשיים של המאמר הם ד"ר עופר נויפלד מהפקולטה לכימיה ע"ש שוליך בטכניון והמרכז הקוונטי על שם הלן דילר ועמיתיו בגרמניה, פרופ' פיטר הומלהוף וד"ר דניאל לסקו.
גרפן, המורכב משכבה בודדת של אטומי פחמן במבנה של חלת דבש, הוא חומר בעל תכונות מרתקות. לכאורה הוא גרסה דקה של גרפיט תלת-ממדי (שנמצא בחודי עפרונות), אך תכונותיו שונות ומפתיעות: הוא חזק פי כמה מיריעת פלדה בעובי דומה, שקיפותו כמעט מוחלטת והוא מאופיין בהולכה גבוהה של אלקטרונים ואור.
במאמרם ב-Nature Physics מראים החוקרים כי באמצעות הארה מדויקת בפולסי לייזר אפשר לשנות באופן זמני את תכונות החומר ולהכניס אותו לתוך מצב קוונטי חדש המכונה "מבודד טופולוגי מסוג פלוקה". מצב זה מספק למשתמשים שליטה דינמית בתנועת האלקטרונים בתוך החומר, זאת באמצעות האור עצמו.
ההישג המדעי משמעותי במיוחד משום שהוא מדגים בפעם הראשונה שליטה אקטיבית באלקטרונים הנמצאים בתוך מצב טופולוגי מחוץ לשיווי משקל. בכך מספק המחקר הוכחה ניסויית לרעיונות תאורטיים שפותחו בשנים האחרונות בתחום החומרים הקוונטיים והאפשרות להשפיע עליהם באמצעות אור. בפרט, על ידי שליטה זו החוקרים הצליחו להראות שהמצב הקוונטי הזה מייצר תגובות כיראליות – זרם האלקטרונים הנוצר בתוך החומר מתנהג אחרת תחת הארה עם קיטוב שמסתובב עם או נגד כיוון השעון. על ידי מיפוי הזרמים הנוצרים כתלות בקיטוב והתזמון של הפולסים הצליחו החוקרים להראות רגישות לפאזה של המצב הקוונטי, מה שעלול לפתח שיטות מדידה חדשות לחומרים מחוץ לשיווי משקל.
ד"ר עופר נויפלד
(צילום: דוברות הטכניון)
את המסגרת התאורטית למחקר הוביל ד"ר עופר נויפלד, בוגר הטכניון שחזר לאחרונה לחיפה כחבר סגל אחרי פוסט-דוקטורט במכון מקס פלנק בהמבורג, ואת החלקים הניסויים הובילו עמיתיו בגרמניה. לדברי ד"ר נויפלד, "השלכות המחקר חורגות מעבר לגרפן. אנחנו מעריכים שעל סמך הממצאים שלנו אפשר יהיה לפתח רכיבים אלקטרוניים מהירים וחסכוניים יותר, וכן מערכות תקשורת, חישה ומחשוב המבוססות על תכונות הניתנות להפעלה ולכיבוי באמצעות אור".
המחקר נתמך על ידי קרן המחקר הגרמנית (DFG), האיחוד האירופי (תוכנית FET Open במסגרת Horizon 2020) וקרן גורדון ובטי מור. פרופ' פיטר הומלהוף וד"ר דניאל לסקו הם חוקרים באוניברסיטת פרידריך-אלכסנדר (FAU) בארלנגן-נירנברג ובאוניברסיטת אוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן (LMU).
ד"ר עופר נויפלד הוא פיזיקאי תאורטי העוסק באינטראקציה בין אור וחומר בסקלות זמנים אולטרה-מהירות, ובפרט בתהליכים קוונטיים המתרחשים תחת שדות לייזר חזקים. הוא השלים בטכניון את לימודי התואר הראשון, התואר השני והדוקטורט, ולאחר מכן יצא לפוסט-דוקטורט במכון מקס פלנק למבנה ודינמיקה של חומר בהמבורג, גרמניה, בקבוצתו של פרופ' אנחל רוביו. בשנת 2024 שב לטכניון.
