הספין האלקטרוני

פרופ’ יורם דגן מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה מפציץ גביש בלייזר ומחמם גביש אחר ל- 800 מעלות – על מנת ליצור שכבה ננומטרית של חומר בעובי אטום בודד, שעשויה להחליף בעתיד את הסיליקון  “האלקטרוניקה של העתיד תיעזר בתכונות הספין של האלקטרון כדי לאגור כמות כפולה של מידע בתוך יחידת בסיס אלקטרונית בודדת,” הוא מעריך

“בעשורים האחרונים מתקדמת תעשיית המיקרו-אלקטרוניקה על פי העקרונות שהגדיר גורדון מור, ממייסדי אינטל, בחוק הנושא את שמו: מדי כשנתיים מוכפל מספר הרכיבים הממוקמים על שטח נתון,” אומר פרופ’ דגן. “אלא שתהליך המזעור הזה אינו יכול להיות אינסופי. לכן אנחנו מנסים כיום לפתח תחליף לחצאי המוליכים מבוססי הסיליקון, המוכרים לנו. במעבדה שלי אנו מפתחים לצורך זה גבישים ננומטריים מבוססי אוקסידים: מבנים שמשלבים לסירוגין שכבות של גביש מבודד עם שכבות של גביש אחר. חשוב לציין כי לעיתים, גם כששני הגבישים מבודדים, נוצר ביניהם משטח ננומטרי בעל תכונות מיוחדות, המסוגל להוליך זרם חשמלי.”

המבנה הגבישי המשולב מיוצר בתהליך מורכב: שני סוגי הגבישים מונחים זה לצד זה, כאשר חומר אחד מחומם לטמפרטורה של כ-800 מעלות צלסיוס, בעוד השני נותר בטמפרטורת החדר. אותות לייזר אולטרה-סגול, המשוגרים אל הגביש שאינו מחומם, משחררים ממנו אטומים. האטומים המשוחררים נדבקים אל החומר המחומם, ומאמצים את המבנה הגבישי של הגביש הקולט אותם. כך מתקבל משטח בעובי של אטום בודד, שהוא למעשה חומר שלישי, המשלב תכונות של שני החומרים המקוריים: אטומים שמקורם בחומר אחד, מסודרים בדפוס המאפיין את החומר השני.

“אם, לדוגמה, אנו שואפים ליצור שכבת אטומים שמשלבת תכונות של קיטוב גבוה ומגנטיות, נבחר לשדך בין גביש של חומר מגנטי לבין גביש המאופיין כחומר פרו-אלקטרי – חומר שיש לו קיטוב חשמלי חזק, אותו הוא ‘זוכר’ גם אם מסירים את השדה החשמלי החיצוני.” מסביר פרופ’ דגן. “במעבדה שלי אנחנו מתמקדים בצמד גבישים מבודדים, שמתאים למטרותינו: לנטנום-אלומיניום חמצני וסטרונציום טיטניום חמצני. בחרנו בזיווג זה מכיוון שהמשטח המפריד בין שני הגבישים המבודדים הוא באופן מפתיע מוליך-על וגם מגנטי, שתי תופעות שבדרך כלל נוגדות זו את זו.”

המבנים הננומטריים המבוססים על שכבת אטומים בודדת מאפשרים לחוקרים לצפות בתופעות ואפקטים פיזיקליים המתקיימים רק בגודל הזעיר. כך הם יכולים לראות תופעות גליות המשפיעות על הולכת האלקטרונים, ולהבחין בתופעות קוונטיות המוכרות בפיזיקה התיאורטית – כשהן מתורגמות להתנהגות החומר בפועל (בטמפרטורות נמוכות מאוד). בין השאר מתמקד מחקרו של פרופ’ דגן בתופעות מגנטיות המתרחשות בחומר המשולב, ובמיוחד במה שמכונה אינטראקציית ספין-מסילה: שליטה בכיוון הסיבוב של האלקטרון, הקרויה ‘ספין’, שעשויה לשנות את פני האלקטרוניקה בשנים הבאות. “האלקטרוניקה של העתיד תיעזר בתכונות הספין של האלקטרון כדי לאגור כמות כפולה של מידע בתוך יחידת בסיס אלקטרונית בודדת,” מעריך פרופ’ דגן.

פרופ’ יורם דגן הוא פיזיקאי העוסק בתחום המצב המוצק. הוא עשה את כל לימודיו באוניברסיטת תל אביב, ובשנת 2005, לאחר כארבע שנות פוסט דוקטורט באוניברסיטת מרילנד שבארה”ב, הצטרף לסגל האוניברסיטה. פרופ’ דגן זכה במענקי מחקר רבים ובפרסי הצטיינות שונים, ביניהם פרס הרקטור להצטיינות בהוראה. קבוצת המחקר שלו עוסקת במערכות אלקטרוניות עם קורלציה חזקה כגון מוליכי על, חומרים מגנטיים ומשטחים המפרידים בין אוקסידים.