نجح علماء معهد وايزمان في إنشاء بلورة إلكترونية ("بلورة فيغنر") تتكون من إلكترونين
في عام 1934، نشر الفيزيائي يوجين فيجنر تنبؤًا نظريًا مفاجئًا: فقد ادعى أنه في ظل ظروف معينة قد تشكل الإلكترونات بنية بلورية. البلورات التي نعرفها مصنوعة من ذرات تقع في بنية شبكية منظمة، وهي نتاج قوى الجذب بينها. ومن ناحية أخرى، تجد الإلكترونات صعوبة في التحكم في مكان مستقر ودائم. هذه الجسيمات الصغيرة، التي تكاد تكون عديمة الوزن، هي في الغالب في حركة مستمرة. الشحنة السالبة التي يحملونها تتسبب في رفضهم وإبعادهم عن بعضهم البعض. ادعى فيجنر أن هذه الخاصية بالتحديد - التنافر المتبادل - هي التي تدفع الإلكترونات إلى ترتيب نفسها في بنية بلورية.
يمكن أن يوجد أبسط مثال على هذه الظاهرة عندما يتم وضع الإلكترونات في بنية أحادية البعد - على شكل خرزات على سلك وهمي. ويتغلب التنافر المتبادل بينهما على ميلهما إلى الحركة، مما يجبرهما على ترتيب أنفسهما على مسافات متساوية على طول السلك.
من أجل إنشاء "بلورة فيجنر" يلزم وجود نظام يوجد فيه تنافر قوي بين الإلكترونات وبين نفسها، ولكن التفاعل مع المكونات الأخرى في النظام، والذي قد يتداخل مع إنشاء البلورة، يكون في حده الأدنى. فالأنظمة القائمة على المعادن، على سبيل المثال، غير واردة، لأن الإلكترونات تتحرك بحرية نسبية في مادة معدنية، وتحتوي على عدد كبير جدًا من الإلكترونات بحيث لا تتناسب مع الشروط المطلوبة لإنشاء "بلورة ويجر". ومن ناحية أخرى، فحتى إدخال كمية قليلة من الإلكترونات إلى مادة خاملة لا يؤدي إلى النتيجة المرجوة، لأنه حتى التركيز الصغير للعيوب الموجودة في أي من المواد المعروفة سيؤدي إلى انجذاب الإلكترونات إليها، بدلاً من التفاعل مع بعضهم البعض.
ولذلك، فإن إنشاء بلورة فيغنر مهمة معقدة. العلماء الذين يبحثون عن طرق لإنشائه لم يكتشفوا حتى الآن سوى تلميحات لوجوده، لكن لم يتمكن أحد من إثبات وجوده بشكل مباشر. الآن، بعد حوالي 80 عامًا من تنبؤ فيجنر النظري، نجح الدكتور شاشيل إيلاني وطالب البحث شارون باكر، من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع علماء من الولايات المتحدة الأمريكية وإيطاليا والدنمارك، في إنشاء بلورة ويجنر تتكون من إلكترونين - وهو نوع من "جزيء ويجنر".
ولهذا الغرض، اختار العلماء أنبوبًا نانويًا صغيرًا ونظيفًا من الكربون، وحقنوا فيه إلكترونين. إن ذرات الكربون التي يُبنى منها الأنبوب النانوي مرتبطة ببعضها البعض بشكل وثيق، بغرض تكوين البنية المستقرة، وبالتالي يتفاعل الإلكترونان الإضافيان مع بعضهما البعض فقط. أظهر قياس مستويات الطاقة في النظام للعلماء أنه يتصرف كما هو متوقع من بلورة فيغنر: حيث يقع كل إلكترون في نهاية مختلفة من الأنبوب النانوي. بعد ذلك، قام العلماء "بضغط" الإلكترونات بالقوة على أحد جوانب الأنبوب النانوي، واكتشفوا أنه على الرغم من الضغط الواقع عليها، إلا أن الإلكترونات تحافظ على مسافة من بعضها البعض. يقول شارون باكر: "هذا السلوك للإلكترونات استجابةً للضغط يشير إلى أن جزيء ويغنر الناتج هو نتاج التفاعلات بين الإلكترونين، ولا ينتج عن تأثير البيئة الخارجية".
وبالإضافة إلى إثبات تنبؤات فيجنر النظرية، يقول الدكتور إيلاني إن الدراسة التي نشرت في المجلة العلمية Nature Physics، تعد توضيحًا مهمًا على أن أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تكون نظامًا فيزيائيًا فريدًا، مما يسمح لأول مرة بالتحكم في خصائص الإلكترونات في بطريقة تسيطر عليها. "إذا تمكنا من توسيع قدرتنا والتحكم بطريقة متحكم بها في عدد كبير من الإلكترونات على طول أنابيب الكربون النانوية، فإن هذا سيمكننا من الوصول إلى مستوى جديد من التجارب الدقيقة في الحالة الصلبة. يقول الدكتور إيلاني: "يمكن استخدام أنابيب الكربون النانوية كمختبر نظيف لدراسة الظواهر الأساسية في ميكانيكا الكم، على مقياس نانومتري". وقد حفزت هذه الفكرة مجموعته على تطوير طريقة جديدة وفعالة لإنتاج أجهزة أنابيب الكربون النانوية. اختراعهم، الذي نُشر مؤخرًا في مجلة Nature Nanotechnology، يجعل من الممكن إنشاء أجهزة كهربائية من الأنابيب النانوية أكثر تعقيدًا ونظافة من أي أجهزة تم إنشاؤها حتى الآن، ويمكن التحكم فيها بسلوك العديد من الإلكترونات بشكل فردي.
حتى الآن، كانت طرق تصنيع أجهزة الأنابيب النانوية تعتمد على إنشاء مكونين في نفس الوقت: نمو الأنابيب النانوية وبناء الدائرة الكهربائية. وكل واحدة من هذه المهام بمفردها صعبة للغاية، وفرصة إنتاج جهاز عامل من خلال إنجاز كلتا المهمتين ضئيلة جدًا. يقول طالب البحث جونا وايزمان: "تحل طريقتنا الجديدة هذه المشكلة الأساسية عن طريق تقسيم العملية إلى خطوتين منفصلتين". "على شريحة واحدة نزرع أنابيب نانوية، بينما نصنع دائرة كهربائية على شريحة أخرى. يسمح هذا الفصل بإنتاج كل مكون من هذه المكونات بشكل مثالي. وبعد ذلك نستخدم محركات صغيرة بدقة نانومترية لدمج الجزأين في جهاز واحد فعال." هذه هي الطريقة التي أصبح من الممكن بها الآن، على سبيل المثال، إنشاء دائرة كهربائية مبنية من عدة أنابيب نانوية. يقول الدكتور إيلاني: "لا تترك طريقة الإنتاج الجديدة لدينا مجالًا كبيرًا للصدفة، حيث أننا قادرون على التحقق من أن كلاً من الأنابيب النانوية والدائرة الكهربائية مثاليان، حتى قبل تجميعهما في جهاز فعال."
باستخدام الأجهزة الجديدة التي سيتم إنتاجها، يخطط الدكتور إيلاني وأعضاء مجموعته للكشف عن جوانب جديدة ورائعة لجزيئات فيجنر التي تحتوي على عدد متزايد من الإلكترونات - على أمل الاقتراب تدريجيًا من البلورة الكمومية الكاملة. تفتح هذه الأجهزة أيضًا نطاقًا أوسع من إمكانيات البحث الجديدة: أنابيب الكربون النانوية عبارة عن بلورات ذات خصائص كهربائية وميكانيكية فريدة، ويشكل النظام الجديد مختبرًا فريدًا لأبحاثها. ويخلص الدكتور إيلاني إلى أن "القدرة على التحكم في العديد من درجات الحرية ستسمح لنا بإجراء تجارب في عالم النانو كان من المستحيل تخيلها حتى الآن".
