נפתרה תעלומה פיזיקלית בת 140 שנה: אפקט הול אור באמצעות נושא

מחקר חדש שהתפרסם במגזין Nature, פרי שיתוף פעולה מחקרי בהובלת IBM, מתאר פריצת דרך. הפתרון מאפשר לסייע לפיתוחם של חומרים מוליכים למחצה חדשים ומשופרים

מאת אוקי גונאוואן חבר צוות IBM Reaserch

מוליכים למחצה הם אבני היסוד של העידן הדיגיטלי והאלקטרוני של ימינו. הם מספקים לנו כמויות עצומות של התקנים המועילים בחיינו המודרניים, לרבות מחשבים, טלפונים חכמים והתקנים ניידים אחרים. שיפורים בפונקציונליות ובביצועים של המוליכים למחצה מאפשרים את יישומי הדור הבא שלהם למטרות חישוב, חישה ושימור אנרגיה. למרות זאת, חוקרים מתמודדים כבר שנים רבות עם אי היכולת להבין כיצד המטענים האלקטרוניים שבהתקני המוליכים למחצה והחומרים במוליכים למחצה מהסוגים המתקדמים מגבילים את יכולתנו להשיג התקדמות נוספת.

מחקר חדש שהתפרסם במגזיןNature , פרי שיתוף פעולה בהובלתIBM , מתאר פריצת דרך מסעירה של בעיה שהטרידה את עולם הפיזיקה במשך 140 שנה. הפתרון מאפשר לנו לתת דרור למאפיינים הפיזיקליים של מוליכים למחצה ביתר פירוט ולסייע לפיתוחם של חומרים מוליכים למחצה חדשים ומשופרים.

על מנת להבין באמת את הפיזיקה של המוליכים למחצה, עלינו להכיר קודם כל את התכונות היסודיות של נושאי המטען (charge carriers) של החומרים השונים, לדעת אם החלקיקים האלה חיוביים או שליליים, מהי מהירותם בשדה חשמלי מסוים ומה צפיפותם בחומר נתון. הפיזיקאי אדווין הול (Hall) מצא ב-1897 דרך לקבוע את המאפיינים האלה כאשר גילה ששדה מגנטי מסיט את תנועת המטענים האלקטרוניים בחומר מוליך וכי ניתן למדוד את מידת הסטייה כוולטאז’ ניצב לזרם המטענים, כמוצג בתרשים 1a.. הוולטז’, המוכר בשם Hall Voltage, מסיר את המסתורין ממידע חיוני לגבי נשאי המטען במוליך למחצה, לרבות האם הם אלקטרונים שליליים או חיוביים או חלקיקים למחצה הקרויים “חורים”? מהי מהירות תנועתם בשדה חשמלי או ה”ניידות שלהם ?(µ) ומהי צפיפותם (n) במוליך למחצה?

סוד בן 140 שנה

עשרות שנים אחרי התגלית של הול, חוקרים הבינו שגם הם יכולים לבצע את מדידת אפקט הול בעזרת אור. הניסויים שערכו נקראו ניסויי הול באור והם מוצגים בתרשים 1b.. בניסויים אלה, ההארה באור מחוללת במוליכים למחצה מספר רב של נשאי מטענים או זוגות של “חורים”. למרבה הצער, הבנת אפקט הול הבסיסי סיפק תובנות רק לגבי נשאי המטען החיובי (המהווים את מרבית הנשאים). החוקרים לא הצליחו להבין מהן התכונות של שני הנשאים בו זמנית. מידע זה חיוני ליישומים רבים הכרוכים באור כגון תאים סולריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים.

המחקר של IBM Research שהתפרסם ב ,Nature-מסביר את אחת החידות הגדולות של אפקט הול. חוקרים מהמכון המתקדם למדע וטכנולוגיה של קוריאה(KAIST) , המכון למחקר טכנולוגיה כימית של קוריאה(KRICT) , ומאוניברסיטת דיוק וחברתIBM גילו נוסחה וטכניקה חדשות המאפשרות לנו למצות בו זמנית את המידע על נשאי הרוב ונשאי המיעוט, כגון מאפייני צפיפות וניידות, וגם להפיק תובנות נוספות על משך החיים של הנשאים, אורך הדיפוזיה ותהליך ההתאחדות (רה-קומבינציה).

ביתר פירוט, בניסוי הול באור, שני הנשאים תורמים לשינויים בהולכה (σ) ובמקדם הול ((H, הינו פרופורציונלי ליחס וולטאז’ הול לשדה המגנטי. התובנה העיקרית נובעת ממדידת ההולכה וממקדם הול כפונקציה של עצימות האור. עקומת ההולכה – מקדם הול (σ-H), החבויה במסלול ההולכה, חושפת מידע חדש: ההבדל בניידות של שני הנשאים. המחקר מסכם את היחסים האלה באופן אלגנטי כך: Δµ = d (σ²H)/dσ

כאשר צפיפות נשאי הרוב ידועה ממדידת הול מסורתית בחשיכה, אנו יכולים לפתור הן את הניידות והן את הצפיפות של נשאי הרוב והמיעוט כפונקציה של עצימות האור. הצוות כינה את הטכניקה החדשה “מדידת Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH)” “. כאשר עצימות ההארה ידועה, ניתן לחשב באופן דומה גם את משך החיים של הנשא. יחסים אלה והפתרונות הקשורים אליהם היו חבויים במשך קרוב ל-150 שנה מאז הגילוי של אפקט הול.

מעבר להתקדמויות שהושגו בהבנה התיאורטית, גם התקדמות בטכניקות הניסוי הינה קריטית על מנת לאפשר את הטכניקה החדשה. הטכניקה מחייבת מדידה נקייה של אות הול, משימה מאתגרת בחומרים אשר אות ההול שלהם חלש (למשל בגלל ניידות נמוכה) או בנוכחות אותות בלתי רצויים נוספים כגון תחת תנאי אור חזק. לשם כך יש צורה לבצע את מדידת הול עם שדה מגנטי מתנודד (AC). בדומה להאזנה לרדיו, יש לבחור את התדר של התחנה הרצויה תוך דחיית כל התדרים האחרים המהווים רעש. טכניקת CRPH מקדמת אותנו צעד נוסף ובוחרת לא רק את התדר הרצוי אלא גם את השלב של השדה המגנטי המתנודד בטכניקה הקרויה “איתור ונעילה” (lock in detection). הקונספט של מדידת הול AC ידוע כבר זמן רב, אבל הטכניקה המסורתית העושה שימוש במערכת סליל אלקטרומגנטי כדי לחולל שדה מגנטי AC לא הייתה יעילה.

תגלית המבשרת על הבאות

כפי שקורה לא אחת בעולם המדע, תגליות בתחום אחד מזניקות התקדמות בתחום אחר. ב-2015 דיווחה IBM Research על תופעה פיזיקלית שלא הייתה ידועה עד אז של אפקט ריתוק (confinement) של שדה מגנטי, תופעה זאת כונתה בשם “אפקט דבשת הגמל”. היא מתרחש בין שני קווים חוצים של דו-קוטביות כאשר הם חורגים מאורך קריטי, כמוצג בתרשים 2a. אפקט זה הוא מאפיין מרכזי המאפשר סוג חדש של מלכודת מגנטית טבעית הקרויה קו דו-קוטבי מקביל (PDL) כמוצג בתרשים 2b.. המלכודת המגנטית PDL יכולה לשמש כפלטפורמה חדשה ליישומי חיישנים שונים כגון מד הטיה וסיסמוגרף (חיישן רעידות אדמה).

מערכות חישה חדשות אלה ואחרות נחקרות על-ידי הצוות של IBM Research המפתח פלטפורמה לאנליטיקה של ביג דאטה הקרויה IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS)
באופן מפתיע, לאותו מרכיב PDL יש יישום ייחודי נוסף כאשר מסובבים אותו, הוא משמש כמערכת האידיאלית לניסוי הול באור להשגת תנודה חזקה, חד-כיוונית וטהורה מבחינה הרמונית בשדה המגנטי (תרשים c2). חשוב מכך, המערכת מספקת שפע של מרחב להארת שטח גדול על גבי הדוגמה, שהינו קריטי לניסוי הול באור.

ההשלכות

טכניקת האור של הול שפותחה כעת מאפשרת לנו למצות כמות מפתיעה של מידע ממוליכים למחצה. לעומת שלושה פרמטרים בלבד שהופקו במדידת הול הקלאסית, הטכניקה החדשה מפיקה עד שבעה פרמטרים בכל עצימות אור שנבדקה. פרמטרים אלה כוללים את הניידות של האלקטרון ושל החור; את צפיפות הנשאים שלהם תחת אור; את משך החיים של הרה-קומבינציה; ואת אורכי הדיפוזיה של האלקטרונים, החורים וסוג האמבי-פולריים. על כל אלה ניתן לחזור N פעמים (כלומר, כמספר דרגות עצימות האור המשמשות בניסוי).

התגלית והטכנולוגיה החדשות יסייעו לנו לקדם את החידושים במוליכים למחצה המבוססים על טכנולוגיות קיימות והמתפתחות. כעת יש בידינו הידע והכלים הדרושים להבין את המאפיינים הפיזיקליים של חומרים מוליכים למחצה ביתר פירוט. לדוגמה, כעת נוכל להאיץ את הפיתוח של טכנולוגיית מוליכים למחצה של הדור הבא כגון תאים סולריים משופרים, התקנים אופטו-אלקטרוניים טובים יותר וחומרים והתקנים חדשים עבור טכנולוגיית בינה מלאכותית.

מקורות:
[1] O. Gunawan et al., Carrier-resolved photo-Hall effect, Nature (2019).
[2] E. H. Hall, On a new action of the magnet on electric currents, Am. J. Math. 2, 287 (1879).
[3] “A new effect in electromagnetism discovered – 150 years later”, IBM Research Blog, , (2017); and references therein.

אוקי גונאוואן (Oki Gunawan)
חבר צוות IBM Research