החוקרים הצליחו לשנות את סידור הערימה של גרפן בקנה מידה ננומטרי באמצעות כוח זעיר והשקעת אנרגיה נמוכה מאוד, צעד שעשוי לקדם רכיבי זיכרון, חיישנים ומחשוב נוירומורפי
צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בשיתוף עמיתים מיפן, עשה צעד חשוב לעבר הדור הבא של האלקטרוניקה. המדענים השיגו שליטה מדויקת מאוד במבנה הפנימי של גרפן — חומר דק וחזק במיוחד — תוך שימוש בכמות זעירה, כמעט זניחה, של אנרגיה.
המחקר נערך בהנחיית פרופ' משה בן־שלום מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, יחד עם פרופ' מיכאל אורבך ופרופ' עודד הוד מבית הספר לכימיה. את הניסויים והחישובים הובילו ד"ר נירמל רוי וד"ר פנגואה יינג, בסיוע סיימון סאלח עטרי, יואב שרעבי, נועם ראב וד"ר יונגקי יאו. הממצאים פורסמו בכתב העת Nature Nanotechnology.
מדוע אופן הערימה של הגרפן חשוב
גרפן, המורכב משכבה דקה של אטומי פחמן, נחשב זה זמן רב ל"כוכב" בעולם החומרים. אבל לא רק החומר עצמו חשוב, אלא גם האופן שבו שכבות הגרפן נערמות זו על גבי זו. סידורי ערימה שונים יוצרים תכונות שונות לחלוטין: מוליכות חשמלית שונה, תגובות שונות לשדות מגנטיים, ואפילו תנאים שמאפשרים הופעה של מוליכות־על.
עד כה, מעבר מבוקר בין סידורי הערימה האלה היה תהליך מורכב, שדרש כמות גדולה של אנרגיה ולא התאים ליישומים מעשיים. במחקר החדש הצליחו החוקרים להתגבר על המכשול הזה.
הפתרון שפיתחו מבוסס על רעיון אלגנטי: יצירת "איים" זעירים של גרפן — בקוטר של עשרות ננומטרים בלבד — שבהם השכבות נשארות במגע ישיר זו עם זו, בעוד שהאזורים שמסביב מופרדים באמצעות שכבה שמאפשרת החלקה כמעט חסרת חיכוך. בתוך האיים האלה אפשר להזיז שכבת גרפן אחת ביחס לשנייה, וכך לשנות את סידור הערימה.
תוצאה בולטת: שינוי מבני בכוח מזערי
התוצאה מרשימה: אפשר לשנות את מצב החומר באמצעות כוח קטן מאוד, עם השקעת אנרגיה הנמוכה בסדרי גודל מזו הנדרשת בטכנולוגיות זיכרון קיימות. במקרים רבים, מרגע שהשינוי מתחיל, הוא ממשיך מעצמו, בלי צורך להפעיל כוח נוסף.
בדרך למחשוב בהשראת המוח
מעבר לכך, החוקרים הראו שאפשר לחבר בין איים סמוכים כך ששינוי מבני באי אחד ישפיע גם על שכניו. הדבר פותח את הדרך ליצירת מערכות שבהן אזורים שונים "מתקשרים" זה עם זה באופן מכני־אלסטי, בדומה לרשת עצבית. תכונה כזו עשויה להיות רלוונטית במיוחד לפיתוח מחשוב נוירומורפי — מחשבים שמחקים את אופן הפעולה של המוח.
לדברי החוקרים, השיטה החדשה פותחת כיוונים מבטיחים לפיתוח רכיבי זיכרון, חיישנים והתקנים אלקטרוניים זעירים שהם גם מהירים וגם חסכוניים במיוחד באנרגיה. בעתיד היא עשויה לאפשר יצירת מערכות אלקטרוניות חכמות בקנה מידה ננומטרי — מערכות שיצרכו פחות אנרגיה, ייצרו פחות חום ויוכלו לבצע פעולות מורכבות בדרכים שעד כה נחשבו תאורטיות בלבד.
פרופ' בן־שלום מסכם: "זו פריצת דרך שיש לה פוטנציאל לשנות את הדרך שבה מתכננים רכיבים אלקטרוניים בקנה מידה ננומטרי. אנו מראים שאפשר לשלוט במבנה של גרפן ושל גבישים שכבתיים אחרים בצורה מדויקת, הפיכה וחסכונית ביותר באנרגיה. במקום לשבור ולבנות מחדש קשרים כימיים, אנו פשוט מחליקים שכבות אטומיות זו על גבי זו — תהליך טבעי שהוא מהיר ויעיל הרבה יותר.
"היכולת לתכנן אינטראקציות בין אזורים שונים בתוך חומר פותחת אפשרויות חדשות, לא רק עבור אלקטרוניקה מתקדמת, אלא גם עבור מערכות מחשוב בהשראת המוח. זהו עוד צעד בדרך להפיכת תופעות פיזיקליות שעד כה נחשבו אקדמיות בלבד, לטכנולוגיה מעשית ועובדת."
עוד בנושא באתר הידען:
- חוקרים מאונ' תל-אביב יצרו זיכרון חשמלי בעובי שני אטומים בלבד
- "גרפן הוא 'גביע קדוש' שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה"
- פריצת דרך מדעית: לראשונה נמדד מבנה אלקטרומגנטי מחזורי המבוסס על קשרים טופולוגיים
- אור, חומר – ומה שביניהם
- גלאי אלקטרואופטי בעל פוטנציאל ליצירת מהפכה בתחום ראיית הלילה
