קוונטים במימד הננומטרי

מה קורה בתוך טרנזיסטור בממדים ננומטריים? כיצד ניתן לשלוט במוליכות בהתקן אלקטרוני זעיר? * ואיך אפשר להכפיל את יעילותו של פאנל סולארי המבוסס על ננו-חלקיקים? * פרופ’ ערן רבני מהמחלקה לפיזיקה כימית מסביר שכאשר מגיעים לממדים זעירים, אפקטים רבים תלויים בתופעות קוונטיות, ומניח תשתית מדעית לפיתוחים טכנולוגיים עתידיים

“בסוף המאה ה-19 רווחה בקרב הפיזיקאים האמונה שלמעשה התגלו כבר כל החוקים הבסיסיים של הטבע,” מספר פרופ’ רבני. “ואז, בתחילת המאה ה-20 פותחה המכניקה הקוונטית, שפתחה בפניהם עולם חדש: העולם של הסקאלות הקטנות ביותר – מולקולות, אטומים, אלקטרונים וכו’. המכניקה הקוונטית החייתה את הפיזיקה, וכמה מהמדענים הגדולים ביותר של המאה ה-20 עסקו בה. היום, כשאנו עוסקים בעולם הננומטרי, אנו מבינים שכשמגיעים לממדים הזעירים, אפקטים רבים תלויים בתופעות קוונטיות. הטכנולוגיה המודרנית, ששואפת למזער יותר ויותר את הרכיבים האלקטרוניים, תצטרך בשלב מסוים להתמודד עם הסוגיה הקוונטית. בקבוצה שלי אנחנו מנסים לתאר במדויק את התופעות הקוונטיות ולהתמודד עם השפעתן על התקנים ננומטריים.”

להלן מספר דוגמאות ממחקריו של פרופ’ רבני בחזית הננו-מדע:

טרנזיסטור מולקולרי
מה, לדוגמה, קורה בטרנזיסטור – רכיב בסיסי בכל מכשיר אלקטרוני – כשהוא מגיע לגודל של מולקולה בודדת? כיצד זורם האלקטרון דרך המולקולה? לשם כך חשוב לחקור ולהבין את תכונות המוליכות של חומרים ברמה הננומטרית, והבעיה מורכבת במיוחד מכיוון שמדובר בזרם: כלומר, מערכת שאינה מצויה בשיווי משקל. כדי לפתור בעיות מסוג זה, פיתח פרופ’ רבני שיטה חישובית חדשנית, המבוססת על ‘אינטגרלי מסלול’ – גישה שפותחה על-ידי אבי הננוטכנולוגיה ריצ’רד פיימן. הגישה פורצת הדרך של פרופ’ רבני מאפשרת לנבא במדויק את מוליכות החומר בסקאלה הננומטרית.

אילוחים במימד הננומטרי
כל ההתקנים האלקטרוניים שאנו מכירים היום מבוססים על חצאי מוליכים (כמו סיליקון), המכילים תוספות (אילוחים) של חומרים המשנים את המוליכות. באמצעות האילוחים הללו מצליחים מפתחי המכשירים לשלוט באופן מיטבי בתכונות האלקטרוניות של החומרים, ולהתאימן לשימושים שונים. אך מה קורה לחצאי המוליכים ולחומרים המאלחים בסקאלה הננומטרית? “במשך שנים רבות ניסו חוקרים להחדיר אילוחים לננו-חלקיקים, אך ללא הצלחה. ללא אילוחים האפשרות להשתמש בחצאי מוליכים ננומטריים, ולייצר באמצעותם התקנים זעירים, מוגבלת מאוד,” אומר פרופ’ רבני.

קבוצת המחקר של פרופ’ רבני, בשיתוף עם קבוצה מהאוניברסיטה העברית, מצאה פתרון לבעיה הסבוכה. החוקרים מאוניברסיטת תל-אביב פיתחו מודל תיאורטי המסביר את תכונותיהם האלקטרוניות של אילוחים הכלואים בתוך חצי מוליך ננומטרי, ואילו עמיתיהם בירושלים ביצעו בפועל את תהליך האילוח החדשני. הפיתוחים החדשים מאפשרים שליטה אופטימלית בתכונות האלקטרוניות והאופטיות של חצאי מוליכים ננומטריים, כבסיס למגוון רחב של פיתוחים יישומיים בעתיד.

להכפיל את היעילות
לדברי פרופ’ רבני, “תאים סולאריים רבים פועלים על-פי העיקרון הבא: כשהחומר בולע את אור השמש, האלקטרונים עוברים למצב מעורר. כל פוטון (חלקיק אור) שנבלע מעורר אלקטרון אחד, והאלקטרון המעורר משאיר אחריו חור. הפרדה בין האלקטרון לחור יוצרת מטען חשמלי, ואלקטרודות המחוברות לתא אוספות את המטענים. כך נוצר זרם חשמלי.” תא סולארי הפועל בדרך זו מסוגל לנצל עד 31% מהאנרגיה הסולארית שהוא קולט, וזאת על-פי תיאוריה שהוכחה כבר בשנות ה-60. הבעיה היא שעלות ייצורם של תאים כאלה גבוהה מאוד בהשוואה לתועלת שניתן להפיק מהם. לכן מחפשים מדענים בכל העולם דרך להגדיל את הניצולת מצד אחד, ולהפחית עלויות, מצד שני.

“חוקרים רבים ביקשו להגדיל את ניצולת התאים באמצעות שיטה המכונה ‘הכפלת מטען’,” מסביר פרופ’ רבני. “המשמעות היא שכל פוטון שנבלע בחומר, ייצור שני נושאי מטען במקום אחד. על-פי התיאוריה יכולה הניצולת של תא כזה להתקרב ל-50%. אנחנו חקרנו את תהליך הכפלת המטען בפאנלים סולאריים המבוססים על ננו-חלקיקים, והגענו למסקנות מעניינות.” מצד אחד, הוכיחו החוקרים כי השיטה אינה יעילה בפאנלים המבוססים על ננוטכנולוגיה מהסוג המקובל, אך בהמשך הם הראו כיצד, על-ידי הוספת אלמנטים פיזיקליים מסוימים, ניתן יהיה לבנות תאים סולאריים בהם מתרחש תהליך הכפלת מטען יעיל, שיניב את התוצאות המקוות.

פרופ’ ערן רבני הוא סגן הנשיא למחקר ופיתוח באוניברסיטת תל-אביב, וחבר סגל במחלקה לפיזיקה כימית בבית הספר לכימיה. הוא נחשב לפורץ דרך בתחום התיאוריה של מערכות מורכבות בסקאלה הננומטרית, ועוסק במגוון תחומים: ארגון עצמי של ננו-חלקיקים, תכונות מבניות ואלקטרוניות של ננו-חלקיקים, העברת אנרגיה ומטען בסקאלה הננומטרית, מוליכות מולקולרית, ודינמיקה קוונטית רב-גופית. פרופ’ רבני פעיל בארגונים מדעיים אירופיים ואמריקאיים, והיה חבר בפורומים מדעיים של האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, ומדען אורח באוניברסיטאות מובילות בעולם, ביניהן הרווארד, קולומביה, ברקלי ואקול נורמל בפריס. מחקריו הרבים פורסמו בכתבי-העת המדעיים החשובים ביותר, והוא זכה במלגות ובפרסים רבים, ביניהם מלגת כלור, מלגת אלון, מלגות קרן רוטשילד וקרן פולברייט, פרס מרכז מילר בברקלי, פרס ברונו של יד הנדיב, פרס החברה הישראלית לכימיה, פרס פרידנברג, פרס ברגמן, פרס פטאי ופרס אלווינג.