זכרון חשמלי סופר-חלק

פריצת דרך טכנולוגית של אוניברסיטת תל אביב אפשרה לראשונה בעולם ליישם את תופעה המדעית של "סופר החלקה" גם ברכיבים אלקטרוניים. כתוצאה מכך, צוות החוקרים הצליח לנצל את ההחלקה, נטולת החיכוך כדי לשפר משמעותית את ביצועי רכיבי הזיכרון במחשבים וברכיבים חשמליים אחרים. 

המחקר נערך בהובלת ד"ר יונגקי יאו, מר יואב שרעבי, ד"ר נירמל רוי ומר נועם ראאב, כולם מצוות המעבדה של פרופ' משה בן שלום מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature.

הקשר בין אבולוציה וחומרי סיכה

צוות החוקרים מסביר כי חיכוך הוא כוח שמונע החלקה חופשית בין משטחים. מצד אחד, הוא הכרחי – הוא מונע מאיתנו להחליק באמבטיה, למשל – אך מצד שני, הוא גורם לשחיקה ולאובדן אנרגיה. בגוף האדם, האבולוציה פיתחה חומרי סיכה מתקדמים למפרקים, אך גם הם נשחקים עם הזמן (כפי שהברכיים שלנו מזכירות לנו מדי פעם).
הבעיה חריפה במיוחד בעולם המחשוב. רכיבי זיכרון זעירים עובדים במהירויות עצומות – מיליוני מחזורים בשנייה, ומופעלים ללא הפסקה במחשבים, מערכות רפואה מתקדמות, בינה מלאכותית ועוד. כל שיפור ביעילות, בעמידות ובחיסכון האנרגטי שלהם מתורגם ישירות לקפיצות טכנולוגיות משמעותיות.

החוקרים מוסיפים ומסבירים הטבע "מצא" דרך ליצור משטחים חסרי חיכוך, תופעה המכונה "סיכתיות-על" (Superlubricity). כדי להבין את זה, דמיינו שני קרטוני ביצים (כמו באיור): כשהם מסודרים במדויק, הם נצמדים זה לזה, אך אם נסובב אחד מהם מעט – הם יחליקו בקלות. באופן דומה, כששכבות של חומרים אטומיים מוסטות מעט זו ביחס לזו, אטומי החומר אינם יכולים להסתנכרן, והחיכוך ביניהן נעלם כמעט לחלוטין. לפני כ-20 שנה, מדענים גילו שהחכוך בין שתי שכבות גרפיט מסובבות הוא כל כך קטן שאי אפשר למדוד אותו – תגלית שסללה עבורינו את הדרך לפיתוח טכנולוגיות זיכרון חדשניות, מבוססות סופר-החלקה.

פרופ' משה בן שלום: "במעבדה שלנו אנו בונים חומרים שכבתיים, בהם כל תזוזה אטומית – אפילו במרחק המזערי ביותר – גורמת לאלקטרונים לנוע בין השכבות. התוצאה: רכיב זיכרון דק בעובי שני אטומים בלבד! – הדק ביותר שאפשר לדמיין. במחקר הנוכחי פיתחנו שיטה חדשה לניצול החלקה נטולת חיכוך, אשר משפרת משמעותית את ביצועי רכיבי הזיכרון. בניסוי, ד"ר יאו שילב שכבות אטומיות דקות של בור וחנקן, המופרדות על ידי שכבת גרפן מחוררת. בתוך החורים הזעירים (בקוטר של כ-100 אטומים בלבד), שכבות הבור והחנקן מסתדרות באופן מסונכרן, אך ביניהן – הודות לשכבת הגרפן הלא מסונכרנת – החיכוך נעלם! בזכות תופעה זו, ניתן להחליק במהירות וביעילות את האטומים באיים המסונכרנים, ובכך לקרוא ולכתוב מידע (ביטים) ביעילות חסרת תקדים – תוך חיסכון משמעותי באנרגיה".
פרופ' בן שלום מדגיש: "המדידות שלנו מראות כי יעילות הזיכרון החדש גבוהה משמעותית בהשוואה לטכנולוגיות קיימות, וללא שחיקה כלל. מעבר לכך, המערכים החדשים חושפים תופעה מרתקת: כאשר האיים הזעירים קרובים זה לזה, תנועת האטומים באי אחד משפיעה על תנועת האטומים באיים השכנים. במילים אחרות, המערכת מסוגלת לארגן את עצמה אוטומטית למצבי זיכרון מצומדים – דבר שעשוי להוביל לפריצות דרך במחשוב מתקדם, כולל בינה מלאכותית וארכיטקטורות נוירומורפיות (חישוב המדמה את פעילות המוח).

צוות החוקרים מסכם: "אנו מפתחים את הטכנולוגיה באמצעות חברת SlideTro LTD שהוקמה על בסיס תגליות אלו ובעזרת חברת רמות של האוניברסיטה ומאמינים שבעתיד נוכל להשתמש בה ליצירת מערכי זיכרונות מהירים, אמינים ועמידים במיוחד. המחקר העתידי שלנו מופנה לאפשרויות חישוב חדשות דרך צימוד מכאני בין ביטים שלא היה אפשרי עד כה. כך שאולי ה"סיכתיות-על" תניע את המהפכה הבאה בעולם המחשוב.

לקריאה נוספת: המאמר המלא ב-Nature