مع التيار

كيف تفسر واحدة من أكبر المشاكل المفتوحة في فيزياء المادة المكثفة: ما الذي يجعل مادة معينة توصل تيارًا كهربائيًا، ومادة أخرى تعمل كعازل؟ بمساعدة الفيلة والزرافات

كيف يمكنك وضع أربعة أفيال في سيارة فولكس فاجن بيتل مستعملة؟ الجواب: من الباب. وكيف يمكنك وضع أربع زرافات في سيارة فولكس فاجن بيتل؟ الجواب: لا يمكن دخول الزرافات لأن الفيلة موجودة بالداخل بالفعل.

يمكن لهذه القصة القديمة أن توضح إحدى المشاكل المفتوحة الكبرى في فيزياء المادة المكثفة: ما الذي يجعل مادة واحدة توصل الكهرباء، ومادة أخرى تعمل كعازل؟ اتخذ البروفيسور ألكسندر فينكلستين، من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، مؤخرًا خطوة مهمة في الرحلة الطويلة للعثور على إجابة لهذا السؤال الأساسي. ونشرت نتائج بحثه في المجلة العلمية "العلم".
التفسير الأولي لظاهرة وجود المواد الموصلة والعازلة، والذي تم اقتراحه منذ ثلاثينيات القرن الماضي، كان يعتمد على نظرية النطاق المستمدة من نظرية الكم، والتي بموجبها تكون جزيئات المادة، في نفس الوقت، متجانسة. أمواج.
وفقًا لهذه التعاليم، فإن الدالة الموجية (وبعبارة أخرى، "الوجود") للإلكترون الموجود في بلورة مادة مكثفة، تمتد عبر عرض البلورة بالكامل. وبما أنه يمكن العثور على الإلكترونات عند مستويات طاقة مختلفة، فإن كل مجموعة من الإلكترونات ذات الطاقة المماثلة تخلق نوعًا من "النطاق" من الوجود (الدوال الموجية). ولكن حتى بين الإلكترونات من نفس المجموعة هناك اختلافات صغيرة في مستويات الطاقة. تؤدي هذه الاختلافات إلى إنشاء عدة "مسارات" في "التمرير". وعندما تتمكن الإلكترونات من التحرك في "مسارات" هذه "الخطوط"، نقول إن هذه المادة توصل تيارًا كهربائيًا.
وهنا يمكننا العودة إلى مثال الفيلة والزرافات في السيارة المستعملة. لن تتمكن الإلكترونات من التدفق في "النطاق" الذي تمتلئ "مساراته" (مستويات الطاقة) بالإلكترونات ("ليس هناك مكان للزرافات، لأن الأفيال موجودة بالفعل بالداخل"). من ناحية أخرى، فإن التدفق غير ممكن حتى في "شريط" فارغ تمامًا، وذلك ببساطة لأنه لا توجد إلكترونات تتدفق فيه. في الواقع، فقط في "النطاق" الذي تكون بعض مستويات الطاقة فيه (المدارات) مشغولة، يمكن للإلكترونات القفز من مدار "مشغول" إلى مدار فارغ - والتدفق عبره.
يتجاهل هذا التفسير الجميل الحقيقة الأساسية وهي أن الإلكترونات لها شحنة كهربائية سالبة، مما يجعلها تتنافر. وجد السير نيفيل موت أن هذا الرفض يتسبب في انقسام كل "فرقة" فعليًا إلى مجموعتين. يرجع الانقسام إلى نطاقين إلى خاصية أخرى للإلكترونات تسمى الدوران (نوع من هجوم الدوامة). ويعمل الدوران في اتجاهين: لأعلى، أو لأسفل، وتنقسم الإلكترونات إلى مجموعتين. عندما ترفض كل مجموعة من هذه المجموعة المجموعة الأخرى، يتم تقسيم "الممر" إلى "ممرين" منفصلين، حيث لا يكون التدفق من خلالهما ممكنًا أيضًا إلا عندما تكون مأهولة جزئيًا.
وحقيقة أن الانقسام مرتبط بخاصية الدوران تعني أن ظواهر مغناطيسية مثيرة للاهتمام تحدث في المادة التي تنتقل من عازل إلى موصل. لكن حتى تفسير موت لا يصمد أمام اختبار الواقع عندما تكون هناك شوائب في بلورة المادة، أو عندما لا تكون البلورة نفسها منظمة بترتيب مثالي. وقد وجد فيل أندرسون أنه في مثل هذه البلورات لا يمكن للإلكترونات أن تمتد عبر البلورة بأكملها، وتتواجد حول مجموعة صغيرة من الذرات فقط. وفي هذه الحالات، فإن عدم وجود "شرائط" و"مسارات" يمنع إمكانية تدفق الإلكترونات، مما يجعل المادة تعمل كعازل.
أدت هذه التفسيرات إلى حصول السير نيفيل موت، وفيل أندرسون، وجون هاسبروك، وفان ويلك على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1977. المشكلة هي أنه في المادة الحقيقية، يوجد كل من تنافر الإلكترون والاضطراب في نفس الوقت. وقد خطى البروفيسور فينكلشتاين مؤخراً خطوة مهمة في هذا المجال، عندما وجد طريقة لشرح كيفية تأثير هاتين الظاهرتين - الاضطراب في بلورات المادة المكثفة، والتنافر الذي يعمل بين الإلكترونات - على بعضهما البعض. يتضمن هذا التفسير أيضًا مكان الدوران في الظاهرة (والذي يتسبب في انقسام كل "نطاق" إلى نطاقين منفصلين).
ومن الطبيعي أن هذا التأثير المتبادل ديناميكي ويتغير باختلاف الظروف، ويرتكز تفسير البروفيسور فينكلشتاين على مجموعة من المعادلات الرياضية التي تحدد العلاقات المتبادلة بين الظواهر. ووجد أيضًا أنه نظرًا لأن الإلكترونات تتنافر مع بعضها البعض، فإن ميلها إلى "التمركز" حول مجموعة صغيرة نسبيًا من الذرات (أي لتجنب التدفق)، يتناقص، بحيث تستقر الحالة المعدنية، التي تجري فيها المادة. ووفقاً لهذا التفسير، توقع العلماء تحول المادة (في طبقات رقيقة) من موصل إلى عازل. وقد تم التحقق من هذا التوقع في التجارب الأخيرة. كما تمكنت نظرية البروفيسور فينكلشتاين الجديدة من تفسير الظواهر المغناطيسية التي لوحظت في التجارب.