במיקרוסקופ מנהור סורק הצליחו החוקרים לקבוע את כיוון הזרם רק באמצעות התזמון בין שני צבעים של לייזר, בטמפרטורת החדר ובאוויר. זהו צעד בסיסי בדרך לאלקטרוניקה שהאור שולט בה
ככל שטרנזיסטורים קטנים ומהירים יותר, עולה השאלה מה תהיה מגבלת המהירות הבאה של האלקטרוניקה. אחד הכיוונים הנחקרים הוא "אלקטרוניקה של גלי אור" (Lightwave electronics). בגישה זו השדה החשמלי של האור עצמו מניע את האלקטרונים, בקצב של מחזורי הגל האופטי. חוקרים מהטכניון הראו כעת שאפשר לשלוט כך בכיוון של זרם מנהור בתוך מרווח בגודל ננומטרים.
את המחקר הוביל פרופ' מיכאל קרוגר (Michael Krüger) מהפקולטה לפיזיקה בטכניון. השתתפו בו הסטודנטים דניאל דוידוביץ' ובויאנג מה וד"ר עדי גולדנר מקבוצתו, יחד עם הפיזיקאי התאורטי אנדריי בוריסוב מ-CNRS ומאוניברסיטת פריז-סקליי. המאמר פורסם בכתב העת Nature Photonics.
מיקרוסקופ שרואה אטומים
מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) מעביר מחט חדה מאוד מעל משטח, במרחק של ננומטרים בודדים. בין חוד המחט לדגם עוברים אלקטרונים בתהליך קוונטי שנקרא מנהור. עוצמת הזרם משתנה בחדות עם המרחק, וכך המכשיר ממפה את פני השטח ברמת האטומים. המכשיר הזה משמש גם במחקר חומרים למוליכים למחצה.
שני צבעים במקום מתג
החוקרים שלחו אל המרווח שבין החוד לדגם פולסי לייזר באינפרה-אדום. כל פולס הכיל שני צבעים של אור. כששינו את התזמון היחסי בין הצבעים, השתנתה צורת הגל של השדה החשמלי. כך יכלו לגרום לאלקטרונים לזרום מהחוד אל הדגם או בכיוון ההפוך.
השיטה פתרה גם בעיה מעשית. לייזר חזק מחמם את החוד ואת הדגם, הם מתרחבים, המרווח ביניהם קטן, ונוצר זרם שאינו קשור לתופעה המהירה. מכיוון שהחוקרים לא הדליקו וכיבו את הלייזר אלא רק שינו את התזמון בין הצבעים, הם הצליחו להפריד בין הזרם המהיר לבין הרעש התרמי. לפי המאמר, המדידות היו חפות מתופעות לוואי תרמיות.
860 אטו-שניות
החוקרים השוו את המדידות לפתרונות של משוואת שרדינגר התלויה בזמן. לפי ההשוואה, כל פרץ זרם נמשך כ-860 אטו-שניות. אטו-שנייה היא מיליארדית של מיליארדית השנייה. בפרק זמן כזה אור עובר רק כ-260 ננומטר. המודלים מצביעים על מנגנון בשלושה שלבים: שדה האור מנמיך את המחסום שהאלקטרונים צריכים לחצות, מאיץ אותם, ואז דוחף אותם אל פני השטח.
במקביל המיקרוסקופ המשיך לבצע את עבודתו הרגילה. הוא שמר על הפרדה צידית של כשני ננומטר וזיהה שינויי גובה קטנים מאנגסטרום אחד, כלומר פחות מעשירית ננומטר. כל זה בטמפרטורת החדר ובאוויר רגיל, ולא בוואקום ובקירור כמו בניסויים רבים בתחום.
הדרך לאלקטרוניקה מבוססת אור
לדברי ד"ר גולדנר, הדרך למדידות אמינות ארכה שנים: "בדקנו שלוש מערכות לייזר שונות ובנינו מחדש את המערך האופטי פעמים רבות". פרופ' קרוגר אמר: "סוף סוף יכולנו להוכיח מעבר לכל ספק שאנחנו מסוגלים לשלוט בכיוון הזרם".
החוקרים מדגישים שזהו מחקר בסיסי. הוא מבסס שליטה בזרם בתוך המרווח הננומטרי של המיקרוסקופ, ואינו מציג עדיין רכיב אלקטרוני. יישומים באלקטרוניקה שהאור שולט בה הם לדבריהם יעד למחקר המשך. בטווח הקרוב, השיטה עשויה לאפשר מדידה של תנועת מטענים מהירה במולקולות, בפגמים ובחומרים מוצקים, ברזולוציה אטומית ובזמן של אטו-שניות. את העבודה מימנו המועצה האירופית למחקר (ERC), הקרן הלאומית למדע ומרכז הלן דילר לקוונטים בטכניון.
המאמר המדעי: Clocking and controlling attosecond currents in a scanning tunnelling microscope, Nature Photonics, 2026. גרסת הטרום-פרסום ב-arXiv
מקור: הודעה לעיתונות של הטכניון. כתבה על המחקר פורסמה גם באתר הידען
