צוות חוקרים מהאוניברסיטה העברית הצליח למדוד לראשונה תופעה פיזיקלית שנחשבה לבלתי ניתנת לזיהוי – אפקט הול האופטי – וזאת באמצעות אור בלבד. מדובר בגילוי מרגש שסוגר מעגל מדעי שנפתח לפני כמעט 150 שנה, כשאדווין הול, מגלה אפקט הול, ניסה לשווא לבצע מדידה דומה באמצעים אופטיים.
בעזרת לייזר כחול באורך גל של 440 ננומטר וטכניקת מדידה מתקדמת מסוג MOKE (אפקט קר מגנטו-אופטי), הצליחו החוקרים לזהות "הדים" מגנטיים זעירים ממתכות שנחשבות ללא-מגנטיות לחלוטין – ובהן אלומיניום, זהב, נחושת, טנטלום ופלטינה. אותות אלה משקפים את תגובת האלקטרונים לשדה מגנטי חיצוני – ממש כפי שקורה באפקט הול הקלאסי – אך ברמה עדינה ביותר, שעד כה לא ניתנה למדידה ישירה.
2 צפייה בגלריה
איור סכמטי של מדידת אפקט הול האופטי במתכות באמצעות לייזר בלבד: קרן הלייזר פוגעת במשטח מתכתי המונח בתוך שדה מגנטי (N/S), ומחזירה אות זעיר המעיד על עיוות בכיוון תנועת האלקטרונים – עדות לאפקט הול האופטי. השיטה אינה דורשת מגע עם החומר ומאפשרת מדידות מדויקות של תופעות קוונטיות במתכות רגילות כמו זהב ונחושת
(איור: פז רוט)
"אתה מסתכל על מתכות כמו נחושת וזהב וחושב – הן הרי לא נדבקות למקרר, אז הן לא מגנטיות", אומר ד"ר אמיר קפואה מהמכון להנדסת חשמל ולפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית. "אבל מתברר שעמוק בפנים, בתנאים מסוימים, הן מגיבות למגנטיות. רק שזו תגובה עדינה מאוד, כמעט בלתי נראית".
האפקט שנמדד – "אפקט הול האופטי" – נחשב ל"בן דוד" של אפקט הול הקלאסי, שבו זרם חשמלי מתעקם בנוכחות שדה מגנטי, ויוצר מתח חשמלי מאונך לזרם. אלא שבמקרה האופטי, הזרמים נובעים מהשפעת אור ולא ממגע ישיר עם זרם חשמלי – ולכן המדידה מורכבת בהרבה.
בזכות השיטה שפיתחו החוקרים, ניתן כעת למדוד תגובות מגנטיות מבלי לגעת בחומר – תכונה שמעניקה לטכנולוגיה יתרון משמעותי במערכות זעירות וננו-טכנולוגיות. השיטה עשויה לשמש למדידות מדויקות בתכנון חיישנים מגנטיים, זיכרונות מתקדמים, מעבדים מהירים ואפילו לפיתוח טכנולוגיות ספינטרוניות – תחום מתפתח בפיזיקה שבו המידע מקודד לא רק במטען האלקטרוני, אלא גם בספין של האלקטרון.
"זה כמו לגלות שהרעש הסטטי שאתה שומע ברדיו הוא לא סתם הפרעה – אלא מישהו שלוחש לך מידע חשוב", אומר נדב עם-שלום, תלמיד מחקר בצוות של ד"ר קפואה. "הצלחנו להקשיב למסר שהאלקטרונים מנסים להעביר – בעזרת אור".
החוקרים הצליחו גם לחשוף את טביעת האצבע של תופעה קוונטית הנקראת "צימוד ספין-מסילה", שמחברת בין תנועת האלקטרונים לבין האופן שבו הם מסתובבים סביב עצמם. תוצאה זו מספקת הצצה מרתקת לאינטראקציות פנימיות של אלקטרונים בחומרים מורכבים – וחושפת שכבה נוספת בפיזיקה של מצב מעובה.
המחקר התפרסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications, ונערך על ידי ד"ר אמיר קפואה ונדב עם-שלום, בשיתוף עמית רוטשילד, ניראל ברנשטיין, מיכאל מלכה, בנימין אסולין, וכן שיתופי פעולה עם חוקרים ממכון ויצמן, אוניברסיטת פנסילבניה ואוניברסיטת מנצ'סטר.
"ב-1881 כתב הול: 'אם רק הייתה הפעולה של כסף עשירית מזו של ברזל – היינו רואים את האפקט'. חלפו כמעט 150 שנה – ומצאנו את הדרך לעשות את זה", מסכם ד"ר קפואה.
