מה בין גרפן לבין מחשוב קוונטי?

מחקר חדש של MIT מסמן כיוון חדש בתחום של מבודדים טופולוגיים, ולמרות שהם אינם יודעים לאן הוא יוביל, הם מציינים כי התפתחויות אלו תוכלנה לסלול את הדרך לאפשרויות מבטיחות לפיתוחם של התקנים אלקטרוניים חדשניים.

לפי מחקר שפורסם ע”י המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) בשבוע שעבר, החומר גרפן יכול להכיל מצבים אלקטרוניים קוונטיים משתנים לאורך השפות שלו בזכות בררנות ספין שהחוקרים לא הכירו אותה בעבר.

החומר הפחמני הדו-ממדי גרפן יוכל לשמש בדרך חדשה זו לשם הגילוי של תכונות בלתי-צפויות ויישומים חדשים בו. המחקר החדש, שפורסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature, מראה כי גרפן יכול להציע גם, תחת תנאים קיצוניים, תועלות נוספות, לרבות שימושים אקזוטיים כדוגמת מחשוב קוונטי.

גילוי זה יוכל, בסופו של נתיב מחקרי ארוך, להוביל לפיתוחם של מחשבים קוונטיים, זאת לפי אחד מהחוקרים, למרות שהתנאים הקיצוניים הנדרשים לכך יחייבו שימוש במכשור מתקדם ביותר עבור מטלות מחשוב בעלות עדיפות גבוהה, כדוגמת מעבדות לאומיות.

במחקר זה, המדענים מיקמו את החומר גרפן בתוך שדה מגנטי עוצמתי במיוחד ובטמפרטורות נמוכות מאוד והצליחו לשלוט על הכיוון של ספין האלקטרונים, מה שאפשר לחומר לברור את האלקטרונים הללו – מטלה שמערכות אלקטרוניות רגילות אינה מסוגלת לבצע.

החוקרים מצאו כי אם מפעילים שדה מגנטי עוצמתי על הגרפן, ההתנהגות שלו משתנה כך שהאלקטרונים יכולים לנוע סביב השפה המוליכה שלו – או בכיוון השעון או בכיוון ההפוך. בנסיבות רגילות, הזרם החשמלי מתקדם על גביי השפות של הגרפן בלבד, בעוד שהחלק הפנימי שלו נותר מבודד. זרם זה נע בכיוון אחד, זאת לפי התוצא הקוונטי ע”ש Hall.

החומר גרפן עצמו משמש למגוון מטרות שונות. אולם, באמצעות שינוי השדה המגנטי, החוקרים מצאו כי הם מסוגלים להדליק ולכבות את מצבו האלקטרוני של החומר (לאורך השפות שלו), כלומר – בעיקרון ניתן ליצור ממערכת זו מעגלים חשמליים וטרנזיסטורים. מנגנון כזה מעולם לא נראה בחומרים רגילים. יתרה מכך, בררנות הספין מונעת הפרעה בתנועה של האלקטרונים כל עוד השפות אחידות.

לדבריהם של החוקרים, ההתנהגות של משטחי הגרפן הללו הייתה חזויה, אך היא מעולם לא נצפתה הלכה למעשה. לפיכך, לראשונה אי-פעם נצפתה התנהגות של בררנות ספין ביריעה יחידה של גרפן, וכמו כן זו הייתה הפעם הראשונה אי-פעם שנחשפה האפשרות לעבור בין מצבים שונים אלו.

לטענתם של המדענים, המחקר החדש מסמן כיוון חדש בתחום של מבודדים טופולוגיים, ולמרות שהם אינם יודעים לאן הוא יוביל, הם מציינים כי התפתחויות אלו תוכלנה לסלול את הדרך לאפשרויות מבטיחות לפיתוחם של התקנים אלקטרוניים חדשניים. בנוסף, הם מאמינים כי עבודתם זו יכולה לחבר בין הפיזיקה של מבודדים טופולוגיים לפיזיקה של גרפן.

הידיעה על המחקר