.
כל ילד יכול להחליף את מקומותיהן של שתי קבוצות חרוזים שלכל אחת מהן
צבע שונה. אף אחד לא יכול להחליף את מקומותיהם של הצבעים מבלי לשנות
את מיקומי החרוזים, או לשנות את מיקומי החרוזים ולהשאיר את הצבעים
מאחור, במקומם הקודם.
.
החרוזים הצבועים במשל הזה הם אלקטרונים. החרוז החומרי, חסר הצבע, הוא
תכונה אחת שלהם: המטען החשמלי. הצבעים הם תכונה אחרת: ספין (מעין
סחרור), שמתקיימת באחת משתי צורות: סיבוב כלפי מעלה (ספין חיובי), או
סיבוב כלפי מטה (ספין שלילי). כמו במשל החרוזים הצבועים, קשה לחשוב
על הפרדה בין שתי התכונות (מטען חשמלי וספין) של האלקטרונים, כאשר
האלקטרונים זורמים במוליך דו-ממדי, או תלת-ממדי.
.
האפשרות להשיג שליטה בתכונות הספין של האלקטרון מבלי לערב בעניין
את תכונת המטען החשמלי (כלומר, בראש ובראשונה, להפריד בין תכונת הספין
לתכונת המטען), היא הצעד הראשון בדרך לפיתוח אלקטרוניקה חדשה,
המבוססת על שינויים במצב הספין (האלקטרוניקה הקיימת מבוססת על המטען
החשמלי של האלקטרונים). אלקטרוניקה "ספינית" חדשה זו, קרויה ספינטרוניקה.
המדענים העוסקים בתחום זה, במקומות רבים בעולם, אומרים שהספינטרוניקה
עשויה לאפשר את בנייתם של מאגרי זיכרון, מגנטים והתקנים אלקטרוניים
שונים, רגישים במיוחד, שיוכלו לבצע מטלות שאינן ניתנות לבצוע באמצעות
התקנים אלקטרוניים קיימים.
.
מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, מנסים למצוא דרכים להפרדה בין הספין
למטען החשמלי. באחרונה, נראה שצוות מחקר במכון ריקן ביפן, הצליח לעשות
צעד חשוב קדימה בדרך להשלמת המשימה הזאת. הצוות, בראשות יושינורי טוקורה,
השתמש בחומר מוליך-למחצה ייחודי, הקרוי BiTeI (ביסמוט טלור-יוד),
ששימש כמעין "מסננת" שמפרידה בין התכונות.
.
בתחילה ניסו הפיסיקאים להשיג הפרדה במערכות חד-ממדיות. הניסיון הראשון
בתחום זה הוצע על-ידי של הפיסיקאי האמריקאי יואקים לוטינגר (1923 – 1996),
בשנות ה-60 של המאה ה-20. חישוביו של לוטינגר הובילו למסקנה שהמגבלות
הגיאומטריות הנכפות על האלקטרונים הנאלצים לנוע במוליך חד-ממדי, יחד עם
יחסי הגומלין המתקיימים ביניהם כתוצאה מעירור, עשויים להוביל להפרדה בין
הספין לבין המטען החשמלי. הרעיונות התיאורטיים האלה שזכו לחיזוקים חישוביים
במשך השנים, נבחנו בשנים האחרונות בכמה מעבדות, אלא שכמובן, מערכות
חד-ממדיות אינן מועמדות ליישומים טכנולוגיים מעשיים.
.
בשלב הזה נכנס לתמונה המדען הרוסי עמנואל רשבא, שגילה תופעה הקרויה על
שמו ("תופעת רשבא"), ואשר מתחוללת במערכות דו-ממדיות. תופעה זו מתחוללת
כאשר הורסים את הסימטריה בין אטומים שמרכיבים את פני-השטח של שני חומרים
במוליך-למחצה (באיזור המגע ביניהם); ו(במערכות דו-ממדיות, כאמור) היא
מתבטאת ביכולת להפריד בין אלקטרונים על-פי תכונת הספין שלהם ("למעלה"
או "למטה"), בהתעלם מתכונת המטען החשמלי. זה כבר היה צעד משמעותי קדימה,
אם כי, עדיין, העובדה שמדובר בפתרון במערכות דו-ממדיות, מהווה הגבלה
משמעותית על היכולת לבסס טכנולוגיות מעשיות על הפתרון הזה.
.
.
.
מבנה הסריג של BiTeI שבו הבחינו החוקרים בתופעת רשבא במערכת תלת-ממדית.
ורוד = ביסמוט. כחול = טלור. ירוק = יוד.
.
.
ועכשיו הגיעו יושימורי טוקורה ושותפיו למחקר, שבאמצעות שינוי מסוים
במבנה הגבישי של החומר המוליך-למחצה BiTeI, הצליחו להפריד בין תכונות
המטען החשמלי לבין תכונת הספין של אלקטרונים – במערכת תלת-ממדית. החוקרים
בדקו את מערכת הניסוי העשויה BiTeI באמצעות ספקטרוסקופיה של
פליטת אלקטרונים. בטכניקה זו, אלקטרונים מפני השטח של המוליך-למחצה,
המעוררים באמצעות אור, מספקים מידע על תהליכים המתחוללים בתוך
החומר. כך התברר שבמערכת חדשה זו, הפיצול בין תכונת המטען החשמלי
לתכונת הספין היה כה משמעותי, עד שבעקבותיו אפשר להבחין בשינויים
בתפקוד המערכת.
