מדענים מבר אילן ייצרו ננו-תבניות של מוליכי-על

התגובה התנודתית של החומר לשדה מגנטי עשויה להוביל ליצירת חוטים מוליכי-על הניתנים למיתוג ולייצר למעשה אלקטרוניקה חדשה לגמרי, מהירה וחזקה בהרבה מזו הקיימת היום * החומרים החדשים מתפקדים בטמפרטורות גבוהות יחסית, שזול ומעשי לקרר עד אליהן

צוות של מדענים מאוניברסיטת בר אילן, בשיתוף עם חוקרים במעבדה הלאומית ברוקהייבן השייכת למחלקה לאנרגיה בממשל הפדראלי של ארה”ב (DOE), ייצרו פילמים דקים המכילים מערכים גדולים של ננו חוטים ולולאות ננומטריות מוליכות-על המסוגלים לשאת זרם חשמלי ללא התנגדות כאשר הם מקוררים לטמפרטורה של 30 מעלות קלווין (243- מעלות צלזיוס). המדענים הראו כי הם יכולים לגרום לתנודות בהתנגדות החשמלית של החומר על ידי חשיפתו לשדה מגנטי.

“ננו חוטים וננו לולאות מוליכי-על עשויים להיות שימושיים במבחר רכיבים אלקטרוניים חדשים – זהו החזון ארוך הטווח” אמר פרופ’ יוסף ישורון, ראש המרכז למוליכות-על באוניברסיטת בר-אילן, שהוביל את הפרוייקט ביחד עם פרופ’ אבנר שאולוב ותלמיד המחקר איליה סושניקוב.
ישורון ועמיתיו תיארו את המחקר בכתב העת נייצ’ר ננוטכנולוגי, והוא פורסם בגרסה המקוונת של נייצ’ר ננוטכנולוג’י ב-13 ביוני.

ייצור של חוטים מוליכי-על בקנה מידה ננומטרי הוא חלום ארוך טווח. חוטים כאלה יוכלו לאפשר פיתוח אלקטרוניקה מהירה וחזקה יותר. ואולם הדבר התברר כקשה אם לא בלתי אפשרי באמצעות מוליכי העל הקונבנציונליים, משום שהגודל המינימלי של דוגמת חומר כדי שיהא מוליך-על גדול מדי. לדוגמה במקרה של ניוביום – מוליך העל הנפוץ ביותר, מדובר בכ-40 ננומטר. חוטים ננומטריים זעירים העשויים מחומר זה לא יתנהגו כמוליכי-על.

ואולם במוליכי-על המכילים שכבות של נחושת וחמצן ניתן, תאורטית, לשמר את התכונות מוליכות העל עד לננו-מטרים בודדים. גם העובדה שהחומרים מתפקדים בטמפרטורות גבוהות יחסית מקטינה את עלויות הקרור שלהם, דבר שהופך אותם אטרקטיביים למשימות בעולם האמיתי.
כדי לראות אם ניתן להשיג מוליכות-על בפילמים דקים ה”מגולפים” כך שיווצרו בהם תבניות של “חוטים” – בערך כמו ההדפסה של מעגלים לתוך שבבי המחשב – החל הצוות של ברוקהייבן, בראשותו של ד”ר איוון בוזוביק לייצר שכבות דקות של מוליכי-על, שכבת אטומים אחת בכל פעם.

לאחר מכן, הצוות של בר אילן השתמש בליתוגרפיה באמצעות קרן אלקטרונים כדי לצרוב תבנית של אלפי לולאות לתוך פני השטח של החומר. הקוטר של אותם ננו חוטים שנוצרו בצידי הלולאות הללו היה 25 ננומטרים, בעוד האורך נע בין 150 ל-500 ננומטרים. מדידות של ההתנגדות החשמלית של מערכי התבניות הראו כי הם אכן היו מוליכי-על כאשר קוררו אל מתחת ל-30 מעלות קלווין.

כאשר המדענים הפעילו שדה מגנטי בניצב ללולאות, הם גילו כי ההתנגדות של הלולאות לא גדלה בהתאם לעוצמת השדה, אלא גדלה וקטנה באורח מחזורי/תנודתי.

“תנודות אלו בהתנגדות הן בעלי יכולת הגברה גבוהה והתדירות שלהם מתאימה ליחידות קוונטיות של השטף המגנטי – המדידה של עוצמת השדה המגנטי חודרת את הלולאות, אומר ישורון. “חומר עם אופן כזה של התנגדות מגנטית, במיוחד ממצב של מוליך-על למצב שבו הוא אינו מוליך-על יכול מאוד להיות שימושי להנדסת מכשירים חדשים.”

תדירות התנודות בהתנגדות כפי שנצפתה עשויה להיות בעלת השלכה על הבנת המנגנון שלפיו החומרים הופכים למוליכי-על בכלל. הממצאים הנוכחיים נראים כמוציאים מכלל חשבון כמה מודלים תיאורטיים שהוצעו לאחרונה. הבנה טובה יותר של מנגנון ההולכה עשוי להוביל להתקדמות בפיתוח חומרים חדשים ליישומים מעשיים.

המחקר מומן ע”י הקרן לפרויקטים משותפים בין ישראל לגרמניה, מחלקת האנרגיה של הממשלה הפדראלית בארה”ב, ומלגה של משרד המדע הישראלי.