חוקרים מאונ' תל-אביב יצרו זיכרון חשמלי בעובי שני אטומים בלבד

המחקר עוסק בחומר דו-מימדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי החוקרים הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה ע"י הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו

מרבית הטכנולוגיות העוטפות את חיינו המודרניים נולדו מתוך סקרנות אודות התנהגותם של אטומים ואלקטרונים בחומר. במיוחד, כחלק מהמאמץ היסודי להבין, לחזות, ואף לשלוט בתכונות המשותפות של חלקיקים אלו כאשר הם מתמצקים אל מבנה מחזורי מסודר הנקרא גביש. החל מהדמיית עובר בבטן אימו, דרך פירוק וירוס זעיר על שלל מרכיביו, ועד האזנה לחורים שחורים שהתמזגו לפני מליארד שנים, כמעט כל טכנולוגיה עכשווית מתבססת על תכונות חומר מחזורי כלשהו. בלב המחשב לדוגמה, יושב התקן גבישי זעיר שמטרתו לשלוט בתגובה כלשהיא בעלת שני מצבים לפחות (מיתוג) – "כן" או "לא", "מעלה" או "מטה", "קטן" או "גדול". ללא היכולת הדיכוטומית הזו – לא ניתן לקודד ולעבד מידע. האתגר הוא למצוא מנגנון שיאפשר מיתוג בהתקן קטן, מהיר וזול.

נכון להיום, ההתקנים המתקדמים ביותר עשויים מגבישים קטנטנים המכילים כמיליון אטומים בלבד (כמאה אטומים בגובה, ברוחב, ובעובי), כך שאפשר למקם מיליון כמוהם כמיליון פעמים בשטח של מטבע אחד ולמתג כל אחד מההתקנים במהירות של כמליון פעמים בשנייה. שיפור היחידות הזעירות כדי שיפעלו באופן יעיל, מהיר, צפוף וזול יותר היא אולי המשימה המרכזית של המדע והתעשייה בעת הנוכחית. בזכותן אפשר לאחוז בכף היד יכולת חישוב עצומה בהשוואה לזו שהייתה זמינה לנו לפני כמה עשורים בלבד ודרשה, בין היתר, חלל גדול במיוחד.

על רקע זה, החוקרים מאוניברסיטת תל-אביב הצליחו להנדס מערכת בעובי של שני אטומים בלבד העשויה לאפשר דחיסה ועיבוד של מידע ובכך עשויה להביא לשיפור משמעותי בהתקנים אלקטרוניים בהיבטים שונים. המערכת החדשה שגילו החוקרים מציעה דרך לקודד מידע לתוך יחידה הדקה ביותר המוכרת למדע היום, בגביש שהוא מהחזקים והיציבים ביותר בטבע. המחקר בהובלתם של מעיין ויזנר שטרן, יובל ושיץ,ד"ר ואי כאו, ד"ר יפתח נבו, פרופ' ערן סלע, פרופ' מיכאל אורבך, פרופ' עודד הוד, וד"ר משה בן שלום מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באונ' תל-אביב ועמיתיהם מיפן התפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science. מחקר מומן בסיוע המועצה האירופאית למחקר ERC, הקרן הישראלית למדע ISF, ומשרד המדע MOST .

חומר דו ממדי

המחקר עוסק בחומר דו-מימדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי החוקרים הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה ע"י הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו. "בצורתו הטבעית והתלת מימדית חומר זה בנוי ממספר רב של שכבות כאלו המונחות אחת על פני השניה, כאשר כל שכבה מסובבת ב-180 מעלות ביחס לשכבה שמתחתה" – מספר ד"ר בן שלום. "במצב זה, כל אטום חנקן משכבה אחת נמצא בדיוק מעל אטום בור מהשכבה השנייה, ולהיפך. מכיוון ששני האטומים שונים, הם מושכים אליהם את האלקטרונים במידה שונה כך שמצטבר על כל אטום מטען קטנטן שמחזק במעט את הקשרים בין השכבות הלא טעונות. המעבדה שלנו באוניברסיטת תל-אביב מתמחה בהפרדת השכבות של חומרים כאלו, הנקראים חומרים שכבתיים והרכבתן מחדש בצורות שונות – מעין משחק לגו אטומי העשוי משכבות אטומיות. בניסוי הנוכחי בחרנו להפריד שתי שכבות ולהרכיב אותן מחדש יחד אבל הפעם כשהן באותו כיוון סריגי".

התצורה המקבילה הזו ממקמת לכאורה אטומים מאותו סוג בחפיפה מלאה למרות הדחיה החזקה שבינהם (כתוצאה ממטענם הזהה). בפועל, הגביש מעדיף להחליק את אחת השכבות מעט ביחס לשניה כך שרק חצי מהאטומים של כל שכבה חופפים, אך אלו שחופפים הם מסוגים שונים (כלומר עם מטען בסימן הפוך), בעוד ששאר האטומים ניצבים מעל (או מתחת) לחלל ריק – מרכז המשושה. על אף שמצב זה קצת פחות יציב מהסידור הטבעי (נקרא מצב מטא-סטבילי), הסידור החדש מבחין היטב בין השכבות. לדוגמה, אם בשכבה העליונה האטומים החופפים הם רק מסוג בור, הרי שבשכבה התחתונה המצב הפוך.

המדידות  מתבססות על מיקרוסקופ-כח-אטומי ומציגות דרך נוחה בתנאי החדר לצפות בסדר החשמלי-מכאני שנולד בין השכבות. באופן רחב יותר, הניסוי מציע דרך ישירה להתבונן ולשלוט בתגובות מכאניות, בסדרים מגנטיים, ובדרגות חופש נוספות של השכבות המחליקות.

מעיין ויזנר שטרן, הסטודנטית לדוקטורט שהובילה את המחקר, מסבירה: "שבירת הסימטריה שהצלחנו ליצור במעבדה, ואינה קיימת בגביש הטבעי, כופה על המטען החשמלי להתארגן מחדש בין השכבות וליצור קיטוב חשמלי זעיר בניצב למישור השכבות . יחד עם יובל ושיץ, סטודנט תואר ראשון מתוכנית המצטיינים – אודיסיאה, גילינו כי בנוסף לקיטוב היחודי למערכת בעובי שני אטומים בלבד, ניתן גם לשלוט בכיוון הקיטוב. הפעלת שדה חשמלי חיצוני הפוך, מעודדת החלקה מקומית נוספת בין השכבות, באורך מרחק בין-אטומי אחד. אחריה לדוגמה, דווקא כל אטומי החנקן של השכבה העליונה חופפים עם אטומי הבור של השכבה התחתונה. החלקה זו שקולה להיפוך זוג השכבות, ולכן יוצרת קיטוב בסימן הפוך. הקיטוב הנגדי שנוצר נותר יציב גם כשהפסקנו את השדה החיצוני, בדומה למערכות "פרו-אלקטריות" תלת מימדיות הנמצאות בשימוש רחב בטכנולוגיה עכשווית".
<h2">קשרי ואן דר ואלס חלשים בין השכבות

"האפשרות לאלץ סידור גבישי ואלקטרוני במערכת כה דקה, עם מאפייני קיטוב והיפוך יחודיים הנובעים מקשרי הואן-דר-ואלס החלשים בין השכבות, אינה מוגבלת רק לגביש הבור והחנקן" – מוסיף ד"ר בן שלום. "נועם ראב וסוארופ דב, סטודנטים נוספים מהמעבדה, כבר הספיקו לגלות אותה בגביש שכבתי אחר. למעשה, אנו צופים כי ניתן להרחיב את התופעה לגבישים שכבתיים רבים בעלי מאפייני סימטריה מתאימים ולהשתמש בהחלקה הבין-שכבתית כדרך מקורית ויעילה למימוש התקנים אלקטרונים מתקדמים. הבנה יסודית ושליטה בתגובה הקוואנטית המשותפת של כל כך הרבה אטומים הן אתגר גדול. זה התאפשר הודות למאמץ משותף ופורה במיוחד עם עמיתינו התיאורטיקנים שביצעו חודשים של סימולציות מחשב כדי לנתח לעומק למה האלקטרונים במערכת מסתדרים בדיוק כפי שמדדנו. מנקודת המבט של סקרנות מדעית, התגלית מדגימה דרך מקורית לניצול כלים שפותחו מאז גילוי הגרפן (שכבה דו-מימדית עם סידור משושה של אטומי פחמן) ב-2004 , בכדי לצמד דרגות חופש של אטומים ואלקטרונים בגבישים שכבתיים".

"אנו נרגשים לגלות מה יקרה במצבים אחרים שנכפה על הטבע, וחוזים כי אפשר יהיה ליצור צימודים חדשים בין דרגות חופש שונות. כדי לנחש זאת טוב יותר (עבור מגוון גבישים דומים אפשריים) אנו משתמשים במחשבים רבי עוצמה ובסימולציות מורכבות, וגם במשוואות מקורבות פשוטות. במקביל, אנו מנסים למדוד במדויק את התחרות העדינה של כוחות הואן-דר-ואלס בין השכבות כנגד הקיטוב והקשרים החזקים של האטומים בתוך השכבות.אנו מקווים כי המזעור וההיפוך באמצעות החלקה יביא לשיפור בהתקנים אלקטרוניים של היום, ובמיוחד, יאפשר דרכים מקוריות אחרות לשליטה במידע בהתקנים של מחר. בנוסף להתקני מחשוב, ניתן לחזות תרומה להתקני גילוי, אגירה והתמרת אנרגיה, תגובה עם קרני אור ועוד. האתגר שלנו, כפי שאנו רואים אותו, הוא למצוא גבישים נוספים עם דרגות חופש חדשות ומחליקות" – מסכמת ויזנר שטרן.

למאמר המדעי