חוקרים מאונ’ תל-אביב יצרו זיכרון חשמלי בעובי שני אטומים בלבד

המחקר עוסק בחומר דו-מימדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי החוקרים הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה ע”י הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו

פריצת דרך מדעית: חוקרים באוניברסיטת תל אביב הצליחו להנדס את הטכנולוגיה הזעירה ביותר בעולם, בעובי שני אטומים בלבד. לטענת החוקרים הטכנולוגיה החדשה מציעה דרך לקודד מידע חשמלי לתוך היחידה הדקה ביותר המוכרת למדע היום, בגביש שהוא מהחזקים והיציבים ביותר בטבע.

המחקר נערך בבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ובבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע”ש ריימונד ובברלי סאקלר באונ’ תל-אביב ע”י צוות חוקרים הכולל 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. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי Science.

הרקע למחקר שלנו הוא סקרנות אודות התנהגותם של אטומים ואלקטרונים בחומר, שהולידה לאורך ההיסטוריה רבות מהטכנולוגיות העוטפות את חיינו המודרניים, אומר ד”ר בן שלום. אנו (ומדענים רבים אחרים) מנסים להבין, לחזות, ואף לשלוט בתכונות המרתקות של חלקיקים אלו כאשר הם מתמצקים אל מבנה מחזורי מסודר הנקרא גביש. בלב המחשב לדוגמה, יושב התקן גבישי זעיר שמטרתו לשלוט בתגובה כלשהיא בעלת שני מצבים לפחות (מיתוג) – “כן” או “לא”. ללא היכולת הדיכוטומית הזו – לא ניתן לקודד ולעבד מידע. האתגר הישומי 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 כמוהם כמיליון פעמים בשטח של מטבע אחד ולמתג כל אחד מההתקנים במהירות של כמליון פעמים בשנייה.

מיזעור משמעותי של עובי ההתקנים הגבישיים

כעת, כאמור, 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.

במסגרת המחקר, החוקרים עסקו בחומר דו-מימדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי החוקרים הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה ע”י הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו. “בצורתו הטבעית והתלת מימדית חומר זה בנוי ממספר רב של שכבות כאלו המונחות אחת על פני השניה, כאשר כל שכבה מסובבת ב-180 מעלות ביחס לשכבה שמתחתה (תצורה אנטי מקבילה)” – מספר ד”ר בן שלום. ” במעבדה,  הצלחנו לערום את השכבות באופן מלאכותי בתצורה מקבילה, הממקמת לכאורה אטומים מאותו סוג בחפיפה מלאה למרות הדחיה החזקה שבינהם (כתוצאה ממטענם הזהה). בפועל, הגביש מעדיף להחליק את אחת השכבות מעט ביחס לשניה 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.

מעיין ויזנר שטרן, הסטודנטית לדוקטורט שהובילה את 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 מימדיות הנמצאות 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, 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”.

ויזנר שטרן מסכמת: “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”.

יצוין כי מחקר מומן בסיוע המועצה האירופאית למחקר ERC, הקרן הישראלית למדע ISF, ומשרד המדע . 

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• שיפור טכנולוגי דרמטי ביצירת רכיבים אופטיים מדויקים בטכניון
• “גרפן הוא ‘גביע קדוש’ שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה”
• רפי ביסטריצר מזוכי פרס וולף לפיזיקה: ידעתי שהעבודה שעשיתי עם מקדונלד עשתה באז אבל לא ידעתי עד כמה
• אנרגיה סולארית מחלונות, גגונים ובגדים
• ציפוי גרפן נרחב על נחושת – הדרך לרכיבי אלקטרוניקה מהירים יותר