في مقال نشر في مجلة "Science" كتب ثلاثة باحثين من التخنيون أن التجارب في مجال البصريات تسلط الضوء على خصائص التوصيل في أشباه البلورات
تمكن ثلاثة باحثين من التخنيون، طالب الدكتوراه لياد ليفي، وطالب ما بعد الدكتوراه مايكل ريتشتسمان وأستاذ الأبحاث موتي سيغيف، من إظهار أن إضافة اضطراب إلى الهياكل شبه الدورية يزيد من خصائص توصيل المواد، وحتى شرح الآلية الفيزيائية وراء ذلك ظاهرة. وكل هذا يتعارض مع الرأي السائد بأن وجود اضطراب داخل البلورات يثبط خاصية التوصيل للمواد ولا يزيدها. هذا ما تكشفه مجلة "ساينس" العلمية المرموقة.
إن مسألة توصيل الجسيمات (الإلكترونات) في أشباه البلورات هي مسألة شغلت المجتمع العلمي منذ اكتشاف هذه المواد وحتى اليوم. استخدم باحثو التخنيون نظامًا بصريًا لبناء شبه بلوري ضوئي، وأضفوا عليه اضطرابًا وأرسلوا شعاعًا من الضوء إليه لمتابعة انتشار الضوء داخل شبه البلورة. فكرة هذه الدراسة تحديدًا طرحها لأول مرة ثلاثة باحثين آخرين في مجموعة بحث البروفيسور موتي سيجيف: باراك فريدمان، تال شوارتز وعوفر مينيلا - في نهاية فترة الدكتوراه (تحت إشراف موتي سيجيف) قبل حوالي ثلاث سنوات، ولكن لقد "انفجر" جزء أساسي من المشكلة قبل عام واحد فقط بقلم لياد ليفي، ومايكل ريشتسمان، وموتي سيغيف.
ويوضح الباحثون أن طريقة تحرك الإلكترونات في المواد المختلفة تحدد خصائص توصيلها الكهربائي، في حين أن طريقة تحرك الفوتونات (جزيئات الضوء) في المواد المختلفة تحدد خصائص "انتقال الضوء" عبر هذه المواد. لكن من الطبيعي أن تكون آليات توصيل الجسيمات والضوء في المواد المختلفة موضوعًا مركزيًا للبحث في الفيزياء، وبالفعل تم بالفعل اقتراح النماذج المالية الأولى لتوصيل الضوء في المواد المختلفة منذ حوالي 1000 عام!
كان كلوديوس بطليموس - وهو مواطن روماني عاش في الإسكندرية بمصر - أول من وجد علاقة رياضية بين زوايا انكسار أشعة الضوء التي تمر عبر مواد مختلفة عندما تكون الزوايا صغيرة. وبعد 600 عام فقط (1621) وجد عالم الرياضيات ويلبورد سنيل العلاقة الدقيقة بين زوايا انكسار الضوء لأي زاوية (قانون سنيل).
أما بالنسبة لتوصيل الإلكترونات، فإن النموذج الأول لوصف توصيل الإلكترونات في المعادن تم اقتراحه في بداية القرن الماضي (عام 1900) من قبل الفيزيائي بول درود. وافترض درودا أن الإلكترونات عبارة عن "كرات صغيرة" غالبا ما تصطدم أثناء حركتها بذرات المادة - "كرات كبيرة مثبتة في مكانها" - وتقوم بحركة عشوائية داخلها تسمى "حركة السكران".
"على الرغم من أن هذه النماذج - للإلكترونات و/أو الفوتونات - تتوافق مع جزء كبير من التجارب التي أجريت على موجات الضوء وتجارب توصيل التيار الكهربائي في الموصلات، فمن الواضح لنا اليوم أن الصورة أكثر تعقيدًا وأن الافتراضات الأساسية يقول باحثو التخنيون إن النوعين من نوع درود وسنيل غير كافيين. في عام 1801، أظهر الفيزيائي توماس يونغ أن الضوء يحافظ على خصائص الموجات، من خلال مجموعة تجريبية بسيطة من التداخل من شقين، حيث تم الحصول على نقاط الظلام على الشاشة نتيجة للتداخل المدمر بين مصدرين مختلفين للضوء (دليل على الطبيعة الموجية للضوء). في عام 1961، تم إجراء تجربة مماثلة باستخدام شعاع إلكتروني أعطت نفس النتيجة (وأكدت تنبؤ نظرية الكم) - دليل على الطبيعة الموجية للجسيمات. في ضوء هذه الاكتشافات، من الواضح أن الافتراضات الأساسية التي استخدمها الفيزيائيون والرياضيون مثل سنيل ودرود كانت غير كافية: إذا كانت الإلكترونات (و/أو الفوتونات - جسيمات الضوء) لها خصائص موجية، فإن الجسيمات قادرة على التجاوز "العوائق" وحتى التشابك كما تفعل الأمواج في البحر. ولذلك، فإن الافتراض المركزي لدرودا - أن الإلكترون هو جسيم ("يشبه كرة بلياردو صغيرة") يتحرك في خطوط مستقيمة - غير صحيح.
بدأت الإجابات على الوصف الكامل (تقريبًا...) لحركة الجسيمات والضوء في المادة في الظهور بعد ولادة وتأسيس النظرية الكهرومغناطيسية (معادلات ماكسويل الكاملة) ونظرية الكم (معادلة شرودنغر).
الطلقة الأولى لفهم خصائص توصيل الموجات (بما في ذلك ظاهرة التداخل) أطلقها الفيزيائي اليهودي، الحائز على جائزة نوبل، فيليكس بلوخ (1928). في زمن بلوخ، كان المجتمع العلمي بلا استثناء يعتقد أن جميع المواد الصلبة في الطبيعة تتكون من ذرات/ جزيئات تتوضع بشكل دوري بجانب بعضها البعض وتشكل بلورة دورية ومرتبة. ولهذا السبب لم يفهم بلوخ كيف تتصرف الإلكترونات في مثل هذه الهياكل في إطار نظرية الكم. في أطروحته للدكتوراه، قام بلوخ بحل معادلة شرودنغر للإلكترونات التي تتحرك في الهياكل الدورية مع معاملة الإلكترونات كموجات وحساب التداخل الناتج نتيجة للبنية الدورية. وضعت حسابات بلوخ الأسس لفهم حركة الإلكترونات في المواد في الطبيعة. ومع ذلك، فإن وصف بلوخ لم يكن كاملًا أيضًا، وعلى الرغم من أنه كان مناسبًا للعديد من التجارب، إلا أنه فشل في تفسير العديد من الظواهر الأخرى.
يوضح الباحثون: "لم يتم أخذ افتراضين رئيسيين في الاعتبار". "أولاً، تعتمد نظرية بلوخ على بنية دورية مثالية. ومع ذلك، فإن مثل هذا الهيكل موجود من الناحية النظرية فقط: في كل نظام في الطبيعة هناك أيضًا اضطراب إلى حد ما. لذلك، من أجل وصف التوصيل في مواد مختلفة، يجب أن نفترض أنه على الرغم من أن المواد الصلبة في الطبيعة هي هياكل دائرية في جوهرها، إلا أن هناك درجة معينة من الاضطراب فيها - الثقوب، والجسيمات التي ليست في مكانها، وحتى الجسيمات المختلفة منتشرة بشكل عشوائي وبكثافة منخفضة داخل البنية الدورية. في عام 1958، أذهل عالم فيزياء أمريكي يدعى فيليب أندرسون المجتمع العلمي عندما نشر الحل الأول لمسألة انتشار الموجات (أي موجات، بما في ذلك الجسيمات التي تتصرف كموجات) في الهياكل الدورية (البلورات) التي لديها أيضًا درجة معينة من الاضطراب. وعلى عكس الرأي السائد حتى ذلك الحين، والذي يرى أن الاضطراب يتداخل بالفعل مع التوصيل ولكنه لا يزيله، أظهر أندرسون أن إضافة الاضطراب إلى بنية دورية تتحرك فيها الجسيمات (مثل الإلكترونات)، ولو بدرجة صغيرة، يمكن القضاء تماما على خاصية التوصيل للمادة. أظهر أندرسون أنه في ظل ظروف معينة، يضع الاضطراب الجسيمات (على سبيل المثال، الإلكترونات التي تحمل التيار الكهربائي) داخل منطقة محددة لا يمكنها الهروب منها. هذا الاكتشاف له أهمية في العديد من الأنظمة الفيزيائية. على سبيل المثال، في مثل هذه الحالة، في المواد ذات خصائص التوصيل الكهربائي، لا يمكن أن يتطور تيار، وبالتالي تفقد المادة خاصية التوصيل الكهربائي وتتصرف كعازل.
وتسمى هذه الظاهرة "توطين أندرسون" - نسبة إلى اسم مكتشف الظاهرة.
واستطاع أندرسون شرح العديد من التجارب التي لم تكن مفهومة قبل عمله، والعديد من التجارب بعد ذلك دعمت صحة حلوله والتنبؤات التي قدمتها. ولهذا حصل أندرسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1977. ومع ذلك، في الواقع، تم إجراء التجربة الأولى التي من شأنها إعادة إنتاج الظروف الدقيقة التي حل من خلالها أندرسون مسألة التوصيل في الهياكل الدورية في ظل وجود اضطراب، فقط في عام 2007 في مجموعة بحث البروفيسور موتي سيجيف في التخنيون. في أطروحتهم للدكتوراه، نجح الدكتور تال شوارتز والدكتور غاي بارتل، بالتعاون مع البروفيسور شموئيل فيشمان من التخنيون وموتي سيغيف نفسه، في وضع نظام بصري قادر على تحقيق الشروط الواردة في مقالة أندرسون من عام 1958 وإلى إظهار ظاهرة توطين أندرسون بشكل تجريبي مباشر لأول مرة.
"ثانيًا"، كما يقول الباحثون، "إن الافتراض بأن جميع المواد الصلبة في الطبيعة هي في الأساس هياكل دورية غير صحيح. في حين أن الافتراض الأول (أن كل نظام في الطبيعة لديه درجة معينة من الاضطراب) هو افتراض منطقي، فإن وجود مواد صلبة في الطبيعة ليست هياكل دورية في الأساس - ولكنها أيضًا لا تمتلك بنية عشوائية - هو افتراض غير متوقع عند الجميع.
حتى الثمانينيات، كانت جميع البلورات التي تمت دراستها مكونة من بنية أساسية ("وحدة الخلية") تكرر نفسها دوريًا وتشكل بلورة دورية. ومع ذلك، في عام 1982، اكتشف أستاذ الأبحاث دان شيختمان من التخنيون أدلة تجريبية على وجود مواد صلبة شبه دورية: مواد لا يتم ترتيب الذرات/الجزيئات فيها بطريقة دورية (بلورية) من ناحية، ولكنها أيضًا ولا يتم توزيعها بشكل عشوائي من ناحية أخرى. هذه هي مواد مرتبة وليست دورية: فهي لا تحتوي على "خلية وحدة" تكرر نفسها دوريًا (كما هو الحال في البلورات)، ولكنها مع ذلك تتمتع بالنظام لأنه يمكن العثور على أنماط مماثلة في بنيتها على مسافة كبيرة بما فيه الكفاية من بعضها البعض. وتسمى هذه المواد بأشباه البلورات (شبه البلورات). هز هذا الاكتشاف العالم العلمي حتى اقترح باحث آخر اسمه دوف ليفين (اليوم أيضًا أستاذ في التخنيون) ومشرف الدكتوراه البروفيسور بول شتاينهارت (1984) النموذج النظري الذي فسر وجود المواد شبه الدورية التي اقترحها البروفيسور شيختمان. رأى في المختبر. حتى أن البروفيسور ليفين وستينهاردت صاغا مصطلح "شبه البلوري".
لهذا الاكتشاف فاز البروفيسور شيختمان بجائزة وولف المرموقة، كما فاز البروفيسور ليفين وستينهاردت بجائزة باكلي العام الماضي (وبالطبع، يأمل البروفيسور سيجيف وفريقه البحثي أن يفوز شيختمان وليفين وستينهاردت بجائزة نوبل لاكتشافهما. شبه بلورات).
كما ذكرنا، استخدم الباحثون في التخنيون، لياد ليفي، والدكتور مايكل ريتشتسمان، وأستاذ الأبحاث موتي سيجيف، نظامًا بصريًا لبناء شبه بلوري فوتوني، وأضفوا عليه اضطرابًا وأرسلوا أشعة ضوئية إليه لمتابعة انتشار الضوء داخل شبه البلورة. كريستال.
توضح الأشكال التالية المكونات الرئيسية للنظام التجريبي والنتائج. في الجزء العلوي على الجانب الأيسر يمكنك رؤية البلورة شبه الدورية. للوهلة الأولى، يبدو النمط منظمًا ودوريًا، لكن نظرة فاحصة على التفاصيل في الصورة ستكشف أنه لا توجد دورة حقيقية (لا توجد "خلية وحدة" متكررة). تمت إضافة نمط من "الاضطراب" فوق هذا الهيكل - الهيكل فوضوي - وتم الحصول على النمط البلوري شبه الدوري مع إضافة الاضطراب. في هذا النموذج، يتم إرسال شعاع أخضر من الضوء (الجزء العلوي على الجانب الأيمن) والذي ينتشر بداخله بطول سنتيمتر واحد. ويتكون الشعاع الضوئي المرسل إلى الوسط من عدد كبير جداً من الفوتونات التي تتحرك تحت تأثير شبه البلورة في وجود اضطراب. تم إطلاق جميع الفوتونات من نفس النقطة (مركز الفص المدخل للبلورة) وبعد تحركها في البلورة تتشتت الفوتونات وتم التقاط صورة لتشتتها بالكاميرا. تم إجراء التجربة أعلاه لشبه بلوري نظيف (الجانب السفلي الأيسر) وللحالات التي أضيف إليها قدر متزايد من الاضطراب، حتى تم مسح بقايا البنية شبه الدورية بالكامل (الجانب الأيمن السفلي). ويمكن أن نرى بوضوح كيف أنه بالنسبة لإضافة كمية صغيرة من الاضطراب (الجزء الأوسط السفلي) فإن الفوتونات تتشتت إلى مسافات أكبر من الحالة التي لا يوجد فيها اضطراب على الإطلاق (الجانب السفلي الأيسر) - دليل مباشر على أن إضافة الاضطراب إلى شبه - التركيب الدوري يزيد من خاصية التوصيل .
إن الاستنتاجات التي تم التوصل إليها من هذه الدراسة لها آثار هامة على دراسة توصيل الإلكترونات في المواد الصلبة وعلى دراسة مرور الأشعة الضوئية (الموجات الكهرومغناطيسية) عبر المواد المختلفة. يفتح النظام الأنيق الذي تم بناؤه في التخنيون أفقًا لمزيد من التجارب. على سبيل المثال، كنا نتحدث حتى الآن عن الهياكل الثابتة في الوقت المناسب. سيكون من الطبيعي أن نتساءل ماذا سيحدث لحركة الجزيئات إذا أضفنا إلى البنية المذكورة أعلاه اضطرابًا يتغير عشوائيًا حتى مع مرور الوقت (الاهتزاز العشوائي)؟ بعد كل شيء، هذا هو الحال في الطبيعة. هل تغيير الحجم المتوسط في نمط الاضطراب و/أو البلورة سيغير النتائج نوعياً؟ وإذا كان الأمر كذلك كيف؟ إن هذا البحث يجيب بالفعل على عدد من الأسئلة الأساسية في العلوم، ولكنه في الوقت نفسه يفتح أسئلة وسبل فكرية جديدة.
