יש לך דקה?

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו להנדס את הטכנולוגיה הזעירה ביותר בעולם, בעובי שני אטומים בלבד. לדבריהם, הטכנולוגיה החדשה מציעה דרך לקודד מידע חשמלי לתוך היחידה הדקה ביותר המוכרת למדע היום, בגביש שהוא מהחזקים והיציבים ביותר בטבע. פריצת הדרך תוכל להוביל לייעול בהתקנים אלקטרוניים מבחינת צפיפות, מהירות ועלות.

מערכת בעובי של שני אטומים

הדמיית עובר בבטן אמו, פירוק וירוס זעיר למרכיביו ואפילו האזנה לחורים שחורים שהתמזגו לפני מיליארד שנים - המשותף לפיתוח הטכנולוגיות האלה ולרבות אחרות הוא הסקרנות אודות התנהגותם של אטומים ואלקטרונים בחומר, והרצון לחזות ולשלוט בתכונות המשותפות שלהם כשהם מתמצקים יחד למבנה מסודר של גביש. בלב המחשב לדוגמה, מצוי התקן גבישי זעיר, שמטרתו לשלוט בתגובה כלשהי בעלת שני מצבים לפחות (מיתוג) - "כן" או "לא", "מעלה" או "מטה", "קטן" או "גדול". ללא חלוקה משלימה זו לא ניתן לקודד ולעבד מידע. האתגר הוא למצוא מנגנון שיאפשר מיתוג בהתקן קטן, מהיר וזול.

נכון להיום, ההתקנים המתקדמים ביותר עשויים מגבישים קטנטנים, המכילים כמיליון אטומים בלבד (כמאה אטומים בגובה, ברוחב, ובעובי), כך שאפשר למקם מיליון כמותם כמיליון פעמים בשטח של מטבע אחד, ולמתג כל אחד מההתקנים במהירות של כמיליון פעמים בשנייה. שיפור היחידות הזעירות כך שיפעלו באופן יעיל, מהיר, צפוף וזול יותר היא אולי המשימה המרכזית של המדע והתעשייה בעת הנוכחית.

צוות חוקרים מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ומבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, שכלל את מעיין ויזנר שטרן, יובל ושיץ, ד"ר ואי כאו, ד"ר יפתח נבו, פרופ' ערן סלע, פרופ' מיכאל אורבך, פרופ' עודד הוד וד"ר משה בן שלום, ועמיתיהם מיפן, הצליחו להנדס מערכת בעובי של שני אטומים בלבד, העשויה לאפשר דחיסה ועיבוד של מידע ובכך עשויה להביא לשיפור משמעותי בהתקנים אלקטרוניים בהיבטים שונים. בעקבות פריצת הדרך הטכנולוגית, החוקרים הצליחו לראשונה למזער משמעותית את עובי ההתקנים הגבישיים עד כדי שני אטומים בלבד. ד"ר בן שלום מדגיש כי המבנה החדש מאפשר התקני זכרון המתבססים על יכולת קוונטית של אלקטרונים לדלג ביעילות ובמהירות דרך מחסומים בעובי של מספר קטן של אטומים, ולכן עשויה לאפשר ייעול משמעותי בהתקנים אלקטרוניים מבחינת צפיפות, מהירות וצריכת אנרגיה. המחקר פורץ הדרך, שמומן בסיוע המועצה האירופאית למחקר ERC, הקרן הישראלית למדע ISF ומשרד המדעMOST , התפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science.

משחק לגו אטומי

במסגרת המחקר, החוקרים עסקו בחומר דו-ממדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי הם הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה על ידי הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו. "בצורתו הטבעית והתלת-ממדית חומר זה בנוי ממספר רב של שכבות המונחות אחת על פני השניה, כאשר כל שכבה מסובבת ב-180 מעלות ביחס לשכבה שמתחתה, בתצורה אנטי מקבילה", מספר ד"ר בן שלום.

"במעבדה הצלחנו לערום את השכבות באופן מלאכותי בתצורה מקבילה, שממקמת לכאורה אטומים מאותו סוג בחפיפה מלאה למרות הדחייה החזקה שביניהם (כתוצאה ממטענם הזהה). בפועל, הגביש מעדיף להחליק את אחת השכבות מעט ביחס לשנייה, כך שרק חצי מהאטומים של כל שכבה חופפים, אך אלו שחופפים הם מסוגים שונים (כלומר עם מטען בסימן הפוך), בעוד ששאר האטומים ניצבים מעל (או מתחת), לחלל ריק - מרכז המשושה. על אף שמצב זה קצת פחות יציב מהסידור הטבעי (נקרא מצב מטא-סטבילי), הסידור החדש מבחין היטב בין השכבות. לדוגמה, אם בשכבה העליונה האטומים החופפים הם רק מסוג בור, הרי שבשכבה התחתונה המצב הפוך.

ד"ר בן שלום מוסיף כי התגלית התאפשרה הודות למאמץ משותף ופורה במיוחד עם עמיתיהם התיאורטיקנים שביצעו חודשים של סימולציות מחשב כדי לנתח לעומק למה האלקטרונים במערכת מסתדרים בדיוק כפי שמדדנו.

דרכים מקוריות לשליטה במידע בהתקנים של מחר

הדוקטורנטית מעיין ויזנר שטרן, ממובילות המחקר, מסבירה: "שבירת הסימטריה שהצלחנו ליצור במעבדה ואינה קיימת בגביש הטבעי, כופה על המטען החשמלי להתארגן מחדש בין השכבות וליצור קיטוב חשמלי זעיר בניצב למישור השכבות. הקיטוב הנגדי שנוצר נותר יציב גם כשהפסקנו את השדה החיצוני, בדומה למערכות 'פרו-אלקטריות' תלת ממדיות, שנמצאות בשימוש רחב בטכנולוגיה עכשווית".

"האפשרות לאלץ סידור גבישי ואלקטרוני במערכת כה דקה, עם מאפייני קיטוב והיפוך יחודיים הנובעים מקשרי הואן-דר-ואלס החלשים בין השכבות (כוחות הפועלים בין כל שני אטומים או שתי מולקולות שונות בטבע בעוצמות שונות), אינה מוגבלת רק לגביש הבור והחנקן", מוסיף ד"ר בן שלום. "למעשה, אנו צופים כי ניתן להרחיב את התופעה לגבישים שכבתיים רבים בעלי מאפייני סימטריה מתאימים, ולהשתמש בהחלקה הבין-שכבתית כדרך מקורית ויעילה למימוש התקנים אלקטרונים מתקדמים".

"אנו נרגשים לגלות מה יקרה במצבים אחרים שנכפה על הטבע, וחוזים כי אפשר יהיה ליצור צימודים חדשים בין דרגות חופש שונות. אנו מקווים כי המזעור וההיפוך באמצעות החלקה יביא לשיפור בהתקנים אלקטרוניים של היום, ובמיוחד יאפשר דרכים מקוריות אחרות לשליטה במידע בהתקנים של מחר. בנוסף להתקני מחשוב, ניתן לחזות תרומה להתקני גילוי, אגירה והתמרת אנרגיה, תגובה עם קרני אור ועוד. האתגר שלנו, כפי שאנו רואים אותו, הוא למצוא גבישים נוספים עם דרגות חופש חדשות ומחליקות", מסכמת ויזנר שטרן.

^{היפוך קיטוב חשמלי בין זוג שכבות אטומיות באמצעות החלקה}