שבבי העתיד – חוקרים מהטכניון פיתחו מקור אור חכם המבוסס על שכבה אטומית בודדת של חומר

ספינאופטיקה בסקאלה אטומית: ההישג יאפשר פיתוח יישומים קוונטיים חדשים בתחום המחשוב ובתחומים נוספים

חוקרים בטכניון פיתחו מקור אור חדש המבוסס על שכבה אטומית בודדת. הפיתוח החדשני, שהתפרסם בכתב העת Nature Nanotechnology, מאפשר שליטה בספין של הפוטונים הנפלטים בחומר דו-ממדי וסולל דרך להתקנים פוטוניים חדשים המבוססים על "ספינאופטיקה בסקאלה אטומית". התגלית מבוססת על אינטראקציה של שכבה אטומית בודדת עם מערכי ננו-אנטנות על שבב סיליקון תוך יצירת פגמים בגבישים פוטוניים.

המחקר נערך בקבוצת המחקר של פרופ' ארז חסמן, ראש המעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית, עם פרופ' אלעד קורן, ראש המעבדה לננו-חומרים אלקטרוניים וננו-רכיבים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים. שתי קבוצות המחקר משתייכות למרכז הקוונטום ע"ש הלן דילר ולמכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי. המחקר בוצע והובל על ידי ד"ר קישו רונג (Dr. Kexiu Rong) וד"ר בו וונג (Dr. Bo Wang) בשיתוף החוקרים ד"ר אלחנן מגיד, ד"ר ולדימיר קליינר, אבי ראובן, בר כהן ושאול כצנלסון.

מהם חומרים דו-ממדיים? לדברי פרופ' קורן, "בשנת 2004 נבחנה לראשונה האפשרות ליצירת שכבה אטומית בודדת כשהפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, לימים חתני פרס נובל בפיזיקה (2010), פיתחו שיטה פשוטה ליצירת שכבות בודדות של אטומי פחמן. השניים הצמידו נייר דבק לפיסת גרפיט וקילפו את החומר שכבה אחר שכבה עד להשגת שכבת אטומים בודדת המכונה גרפן. הם הראו ששכבת החומר האטומית שונה מאוד בתכונותיה מתכונותיו של החומר בצורתו התלת-ממדית. זהו חומר חזק פי מאה מפלדה ועם תכונות חשמליות יוצאות דופן, ועל פי ההערכות הוא צפוי לחולל מהפכה במוליכים ובמוליכים-למחצה, בצגים ובמסכים, בתאים סולריים ועוד. בעקבות גילוי זה פותחו שכבות אטומיות מחומרים אחרים, וגם הן הפגינו תכונות מפתיעות וייחודיות."

פרופ' חסמן ממשיך ומסביר: "בעקבות גילוי הגרפן התגלו ונחקרו חומרים דו-ממדיים רבים כגון מוליכים למחצה שונים שמאפשרים לקבל גם תכונות אופטיות מעניינות. שבבים אלקטרוניים סטנדרטיים מבוססים על סיליקון, המגביל מאוד את פיתוח הדור הבא של המחשבים שמחייב שילוב של אלקטרוניקה ופוטוניקה, וזאת בין השאר בשל חסרונו של מצב חיוני הקרוי 'פער אנרגיה ישיר' בסיליקון. להפתעתנו, במוליכים-למחצה דו-ממדיים התגלה אותו פער אנרגיה ישיר, מה שמאפשר לשלב באמצעותם פוטוניקה ואלקטרוניקה בסדרי גודל ננומטריים, לייצר בעזרתם מקורות אור והתקנים פוטוניים אקטיביים ולסלול דרך לדורות הבאים של השבבים."

כדי למזער את השבב האלקטרוני ולהגדיל באופן משמעותי את מהירות העיבוד ואת קצב העברת האינפורמציה, הגישה המקובלת כיום היא ספינטרוניקה – ביצוע פעולות על הספין, אחת מתכונותיו החשובות של האלקטרון, ולא על זרם האלקטרונים. לפני כמה שנים ייסד פרופ' ארז חסמן מהטכניון תחום חדש בשם ספינאופטיקה, המאפשר לנצל את הספין של הפוטונים באמצעות מטא-משטחים לטובת העברה ועיבוד אינפורמציה בשבבים פוטוניים. העברת האינפורמציה מבוססת על שליטה בספין הפוטוני בעזרת ננופוטוניקה – אופטיקה בסקאלת הננומטר.

חומרים מוליכים למחצה דו-ממדיים, מאופיינים ברמות אנרגיה שהפליטה מהם תלוית ספין (Spin valleys), זאת בגלל שבירת הסימטריה לשיקוף. החוקרים בטכניון החליטו לנצל את התכונה הזאת ולצמד שכבה אטומית בודדת של טאנגסטן סלנייד ((WSe2 לננופוטוניקה – ננואנטנות שמאפשרות שבירת סימטריה בספין הפוטוני וקבלת שבב בסקאלה אטומית המאפשר מקור אור והתקנים פוטוניים תוך כדי שליטה ועיבוד אינפורמציה בספין הפוטוני.

החוקרים יצרו מבנה גבישי דו-ממדי מסיליקון היוצר פער אנרגיה בתחום הפליטה של החומר הדו-ממדי כך שצימוד המוליך למחצה האטומי לגביש הפוטוני חוסם את כל ערוצי הפליטה האופטית מהחומר הדו-ממדי. בעזרת יצירת פגמים חכמים בתוך הגביש הפוטוני, שליטה על הפאזה של הפגמים בעזרת הגאומטריה שלהם וצימוד ביניהם, החוקרים יצרו מקור אור משכבה אטומית בודדת שמפרידה וממיינת בין הספינים של הפוטונים הנפלטים מהמוליך למחצה הדו-ממדי. תגלית מדעית זאת תאפשר לשלב בין ספינטרוניקה וספינאופטיקה לפיתוח מגוון רחב של התקנים בסקאלה אטומית.

פרופ' חסמן מציין בגאווה ש"הפרסום היוקרתי הזה מראה את החשיבות של מחקר רב-תחומי המשלב פיזיקה, כימיה, מדעי החומרים והנדסה."

במחקר תמכו הקרן הלאומית למדע (ISF), משרד המדע והטכנולוגיה, הטכניון ולשכת המחקר של חיל האוויר האמריקאי. הרכיבים מומשו במרכז לננו-אלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל (MNFU) בטכניון.