ייצוב מצבים קוונטיים חולפים באמצעות אור

פולסי לייזר יוצרים שינויים אלקטרוניים בחומר מסוג קופראט "סולם", ויוצרים מצבים קוונטיים יציבים שנמשכים פי 1,000 מהרגיל. באמצעות פולסים מותאמים של אור וטכניקות רנטגן מתקדמות, מדענים הצליחו ליצור מצבים קוונטיים ממושכים בחומר תחמוצת נחושת – מצבים שנחשבו עד כה לבני חלוף של טריליונית שנייה בלבד.

הפריצת דרך מאפשרת לאלקטרונים לעבור מנהור ולהילכד בקונפיגורציה חדשה, וחושפת תובנות נדירות על סימטריה אלקטרונית. הממצא פותח פתח לטכנולוגיות מהפכניות כמו התקנים אופטואלקטרוניים ואחסון מידע קוונטי.

גילוי כוחות קוונטיים נסתרים באמצעות אור

חומרים מסוימים מפגינים תכונות קוונטיות יוצאות דופן שעשויות להוביל לדור הבא של טכנולוגיות – ממוליכים יעילים במיוחד ועד סוללות עוצמתיות. אך תכונות אלה נסתרות במצבם הטבעי, ויש לחשוף אותן בעדינות.

שיטה אחת כוללת חשיפה לפולסים קצרים במיוחד של אור, שמסיטים את האינטראקציות בין האטומים והאלקטרונים ומאפשרים לתכונות קוונטיות חבויות להופיע לרגע. אך מצבים אלו נעלמים כמעט מיד – בדרך כלל בתוך טריליונית שנייה – ומקשים מאוד על חקירתם או שימוש מעשי בהם.

במקרים נדירים, מצב כזה מחזיק מעט יותר זמן, אך הסיבות לכך אינן מובנות די הצורך ואין דרך ברורה לשחזר את ההשפעה.

כעת, חוקרים מאוניברסיטת הרווארד וממכון פאול שרר (PSI) בשווייץ הצליחו להאריך את חיי המצב הקוונטי לכמה ננושניות – פי אלף יותר מהרגיל – על ידי כיוון מדויק של הסימטריה האלקטרונית בחומר תחמוצת נחושת. הם עשו זאת באמצעות לייזר הרנטגן החזק SwissFEL, שאיפשר גם לעורר וגם לתעד את ההתנהגות יוצאת הדופן.

סולמות קופראט: מגרש משחקים קוונטי פשוט

התרכובת שנחקרה, Sr14Cu24O41 – סולם קופראט – היא כמעט חד-ממדית, עם שתי יחידות מבניות: סולמות ושרשראות של נחושת וחמצן. המבנה הפשוט מספק פלטפורמה נוחה להבנת תופעות פיזיקליות מורכבות שמתרחשות גם במערכות תלת־ממדיות.

"החומר הזה הוא כמו זבוב הפירות שלנו – מודל אידאלי לחקר תופעות קוונטיות כלליות", אומר הפיזיקאי מתאו מיטראנו מהרווארד, שהוביל את המחקר.

טריק אלקטרוני בלי לשנות את המבנה

כדי לייצב מצב לא־שווי־משקל ממושך, אפשר ללכוד אותו ב"באר אנרגיה" שממנה קשה לו להימלט. אך הדבר עלול לגרום למעבר פאזה – שינוי במבנה המולקולרי של החומר – דבר שהחוקרים ביקשו למנוע.

"ניסינו להבין אם אפשר לייצב מצב כזה רק באמצעות מניפולציות אלקטרוניות," הסביר מיטראנו. וכך הוצע פתרון חלופי.

פיזור רנטגן לא אלסטי בתזמון קצוב (tr-RIXS)

החוקרים הפעילו את טכניקת tr-RIXS בתחנת הקצה Furka של SwissFEL, שם נחשפו התהליכים האלקטרוניים המהירים ביותר שמכתיבים את המצב המטא־יציב.

שבירת סימטריה כדי ללכוד מטען

בתרכובת זו, השרשראות טעונות במטען אלקטרוני בעוד שהסולמות כמעט ריקים. במצב שיווי־משקל, הסימטריה האלקטרונית מונעת תזוזת מטען ביניהן. פולס לייזר מדויק שובר את הסימטריה ופותח מעבר קוונטי מהשרשראות לסולמות.

"זה כמו ברז שנפתח ונסגר," אומר מיטראנו. לאחר שהפולס מסתיים, התעלה בין היחידות נסגרת, והמערכת נלכדת במצב קוונטי ממושך – דבר שמאפשר לחוקרים לחקור את תכונותיו.

תיעוד תנועת האלקטרונים

פולסי רנטגן עזים וקצרים במיוחד מ-SwissFEL תיעדו את היווצרות המצב המטא־יציב. באמצעות tr-RIXS, החוקרים צפו בהתפתחויות מגנטיות, חשמליות ואורביטליות בזמן אמת – דבר שבלתי ניתן להשגה בטכניקות אחרות.

"אנחנו יכולים להתמקד באטומים שמעורבים בקביעת תכונות החומר," מסביר אליה רצולי, ראש תחנת Furka. יכולת זו הייתה חיונית להבנת תנועת האלקטרונים שנגרמה מהאור. "ראינו את התנועה בזמנים האולטרה־מהירים שלה וגילינו את המטא־יציבות," מוסיף הפוסט־דוקטורנט הארי פאדמה.

פריצת דרך לקראת התקני קוונטום

הניסוי, הראשון בתחנת Furka, מספק תובנות חדשניות על הדינמיקה האנרגטית והתנעית של חומרים מעוררים. מאז, התחנה שודרגה לשיפור הרזולוציה של tr-RIXS, והיא מוכנה לחקור עירורים חדשים – כמו תנודות סריג.

"מטרת הניסוי הייתה להציג את סוגי המחקרים האפשריים, וכעת התחנה טובה עוד יותר", מסכם רצולי.

לעבר התקני קוונטום ואחסון מידע

המחקר מהווה קפיצת מדרגה בשליטה על חומרים קוונטיים מחוץ לשיווי משקל. הוא פותח אפשרויות ליצירת חומרים עם פונקציונליות מתכווננת, התקנים אופטואלקטרוניים מהירים במיוחד, וממירי אותות בין חשמל לאור – קריטיים לתקשורת קוונטית ומחשוב פוטוני. כמו כן, הוא מסמן דרך לאחסון נתונים לא נדיף במצבים קוונטיים שנשלטים באמצעות אור.

למאמר המדעיhttps://www.nature.com/articles/s41563-025-02254-2

הפוסט הקפאת זמן קוונטית: לייזרים מקבעים מצבים קוונטיים פי אלף יותר זמן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים גילו דרך פשוטה אך עוצמתית להגן על אטומים מפני אובדן מידע – אתגר מרכזי בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות אמינות. באמצעות הקרנת קרן לייזר אחת, מכווננת בקפידה, על גז של אטומים, הצליחו לשמור על הספינים הפנימיים של האטומים מסונכרנים. כך הופחת קצב אובדן המידע באופן דרמטי.

בחיישנים קוונטיים ובמערכות זיכרון, אטומים מאבדים לעיתים קרובות את האוריינטציה המגנטית שלהם – או "הספין" – כתוצאה מהתנגשויות עם אטומים אחרים או עם דפנות המיכל שבו הם כלואים. תופעה זו, המכונה הרפיית ספין, מגבילה באופן משמעותי את היציבות והדיוק של מכשירים קוונטיים. שיטות מסורתיות להתמודדות עם הבעיה דרשו פעולה בשדות מגנטיים נמוכים במיוחד ושימוש במיגון מגנטי כבד ומסורבל.

השיטה החדשה עוקפת את המגבלות הללו. במקום להגן על המערכת באמצעות מגנטים, החוקרים משתמשים באור כדי לשנות בעדינות את רמות האנרגיה של האטומים. כך מיושרים הספינים של האטומים, והם שומרים על סנכרון גם כאשר הם בתנועה או בהתנגשות. התוצאה היא מצב ספין יציב יותר, עמיד מטבעו בפני אובדן קוהרנטיות.

בניסויים שנערכו עם אדי צזיום בטמפרטורות גבוהות, הצליחה הטכניקה להפחית את דעיכת הספין פי עשרה ולשפר בצורה משמעותית את הרגישות המגנטית של המערכת. זוהי הוכחה לכך שקרן לייזר אחת יכולה להאריך את זמן הקוהרנטיות של ספינים אטומיים, ולסלול את הדרך לחיישנים קוונטיים, מגנטומטרים והתקני זיכרון קומפקטיים, מדויקים ועמידים יותר.

המחקר בוצע על ידי צוות מהמחלקה לפיזיקה שימושית והמרכז לננו-מדע וננוטכנולוגיה של האוניברסיטה העברית, בשיתוף עם בית הספר לפיזיקה שימושית והנדסית באוניברסיטת קורנל. החוקרים חשפו שיטה עוצמתית להגנה על ספינים אטומיים מפני "רעש" סביבתי – צעד חשוב לשיפור הדיוק והעמידות של טכנולוגיות מתקדמות.

המאמר, שכותרתו "הגנה אופטית של אטומי אלקלי-מתכת מפני הרפיית ספין", נכתב על ידי אברהם בררבי, מרק דיקופולצב, פרופ' אורי כץ (האוניברסיטה העברית) ופרופ' אור כץ (אוניברסיטת קורנל). הוא פורסם בכתב העת Physical Review Letters וצפוי להשפיע על תחומים רבים התלויים בחישה מגנטית ובקוהרנטיות אטומית.

הספין הוא תכונה בסיסית של אטומים בעלי אלקטרונים לא מזווגים, כמו אלו שבאדי צזיום. תכונה זו הופכת את האטומים לרגישים במיוחד לשדות מגנטיים, ומשום כך הם משמשים למדידות מדויקות של שדות מגנטיים, גרביטציה ואפילו פעילות מוחית. אך הספינים שבריריים. גם הפרעה קטנה של דפנות המיכל או מאטומים שכנים עלולה לגרום להם לאבד את כיוונם – תהליך המכונה הרפיית ספין. עד כה, הגנה עליהם דרשה סביבות מוגנות מאוד.

החידוש של החוקרים הוא שימוש בקרן לייזר יחידה, מכווננת בדיוק, שמצליחה לסנכרן את תנועת הספינים גם בתוך שדה מגנטי. כך נשמר הסנכרון גם כאשר האטומים מתנגשים זה בזה או נתקלים בדפנות התא. זהו הישג משמעותי.

כדי להסביר את הרעיון, מדמים החוקרים את האטומים לסביבונים זעירים הנעים בתיבה. בדרך כלל, כאשר הם נתקלים זה בזה, תנועת הסיבוב שלהם משתבשת. הדבר נכון במיוחד בשדות מגנטיים גבוהים, בהם התנועה המגנטית מהירה יותר. אך כאן, קרן הלייזר שומרת על תיאום בין כל הסביבונים, ומונעת אי-סדר. כך נוצרה מערכת יציבה, הפועלת בהרמוניה גם בתנאים לא אידיאליים.

החוקרים מדווחים על שיפור פי תשעה במשך הזמן שבו אטומי הצזיום שמרו על כיוון הספין. ההגנה פעלה גם כאשר האטומים התנגשו בדפנות תא מיוחד, מצופה בשכבה המפחיתה הרפיה, וגם כשהם עברו התנגשויות פנימיות מרובות.

לשיטה יש פוטנציאל מעשי רחב. היא עשויה לשפר התקנים המבוססים על ספינים אטומיים, בהם:

חיישנים קוונטיים ומגנטומטרים, המשמשים ברפואה, ארכיאולוגיה וחקר החלל.

מערכות ניווט מדויקות שאינן תלויות ב-GPS.

מערכות מידע קוונטיות, בהן יציבות הספין היא תנאי הכרחי לאחסון ועיבוד.

יתרון חשוב נוסף הוא שהשיטה פועלת בטמפרטורות רגילות ואינה דורשת קירור עמוק או מיגון מורכב. לכן היא עשויה להיות שימושית יותר מגישות קיימות ליישומים מעשיים.

לדברי החוקרים: "גישה זו פותחת פרק חדש בהגנה על מערכות קוונטיות מפני רעש. באמצעות תנועה טבעית של אטומים ושימוש באור כמייצב, ניתן לשמר קוהרנטיות בתנאים מגוונים הרבה יותר משהיה אפשרי בעבר".

המחקר מבוסס על עשורים של התקדמות בפיזיקה אטומית. עם זאת, הפתרון שמציגים החוקרים – שימוש באור לסנכרון אטומים – הוא פשוט, אלגנטי ופורץ דרך. הוא עשוי לאפשר פיתוח של טכנולוגיות קוונטיות מדויקות, אמינות ונגישות יותר.

למאמר המדעי

הפוסט קרן לייזר אחת מגנה על אטומים מפני אובדן מידע הופיע לראשונה ב-Chiportal.

• בהשוואה בין שעונים אופטיים בשש מדינות הצליחו חוקרים לבצע מדידות מתואמות בדיוק חסר תקדים – צעד משמעותי בדרך לקביעת סולם זמן עולמי חדש

במחקר חדש, חוקרים ערכו את ההשוואה המתואמת הנרחבת ביותר עד כה של שעונים אופטיים, כאשר גם השעונים וגם הקישורים ביניהם פעלו בו-זמנית בשש מדינות. הניסוי, שפרש על פני אלפי קילומטרים, מהווה צעד חשוב לקראת הגדרה מחודשת של השנייה ולבסוף יצירת סולם זמן אופטי עולמי.

"האותות המדויקים של זמן ותדר שמספקים שעונים אטומיים חיוניים לטכנולוגיות רבות בחיי היום-יום — כמו GPS, ניהול רשתות חשמל וסנכרון עסקאות פיננסיות", אמרה ד"ר הלן מרגוליס, ראש תחום הזמן והתדר במעבדה הפיזיקלית הלאומית של בריטניה (NPL). "הממצאים שלנו יכולים לשפר את הביצועים של הדור הבא של שעונים אופטיים, לפתוח יישומים חדשים לחלוטין ולקדם תחומים מדעיים הנשענים על זמן ותדר."

שעונים אופטיים הם סוג של שעונים אטומיים המשתמשים בלייזרים כדי לגרות אטומים באופן מבוקר, ולגרום להם לעבור בין רמות אנרגיה מסוימות. המעברים הללו מתרחשים בתדרים מדויקים מאוד, המשמשים כ"טיקים" של השעון. מאחר שכל שעון משתמש באטום מסוג אחר, יש צורך להשוות ביניהם למרחקים ארוכים כדי לנצל את הדיוק המרבי.

במאמר שפורסם בכתב העת Optica, חוקרים ממספר מוסדות מציגים תוצאות של 38 השוואות תדרים שנערכו בו-זמנית באמצעות עשרה שעונים אופטיים שונים. ארבע מההשוואות בוצעו ישירות לראשונה, ואחרות שופרו בדיוקן.

"מדידות אלו מספקות מידע קריטי על מה עוד נדרש כדי ששעונים אופטיים יעמדו בדרישות הדיוק והאמינות לשימוש בקביעת זמן בינלאומית," אמר מרקו פיצוקארו, חוקר בכיר מהמכון הלאומי האיטלקי למחקר מטרולוגי (INRiM). "בניסוי שלנו הראינו כיצד ניתן לקשר שעונים אופטיים ברחבי אירופה למדוד יחסי תדר בדיוק מתקדם. מדובר במעבדה מבוזרת, שיכולה לשמש גם לבדיקות בפיזיקה בסיסית, כמו חיפוש אחר חומר אפל או בדיקת עקרונות יסוד של הפיזיקה."

במשך עשרות שנים, תקן הזמן העולמי התבסס על ממוצע של אותות משעוני צסיום מיקרוגליים הממוקמים ברחבי העולם. אולם ככל שהשעונים האופטיים הפכו מדויקים ויציבים יותר, גוברת התמיכה בהגדרה מחדש של השנייה במערכת היחידות הבינלאומית (SI) באמצעות שעונים אלה. כיום הם מדויקים פי 100 מהשעונים הטובים ביותר מסוג צסיום, ומסוגלים למדוד זמן בדיוק כה גבוה, עד שהיו מאבדים או מרוויחים פחות משנייה אחת לאורך מיליארדי שנים.

כדי לשלב שעונים אופטיים בקביעת זמן בינלאומית, יש צורך להשוות בין נתונים משעונים שונים כדי לוודא תפקוד עקבי. לשם כך, נערכה השוואה מתואמת של שעונים אופטיים בשש מדינות במסגרת שיתוף פעולה רחב הנתמך על ידי האיחוד האירופי.

"השוואת שעונים רבים בו-זמנית ושימוש ביותר מסוג אחד של טכנולוגיית קישור מספקים מידע רב בהרבה לעומת השוואות זוגיות שבוצעו בעבר," הסביר תומס לינדוול, חוקר בכיר ב-VTT MIKES בפינלנד. "סט מתואם של מדידות מאפשר לבדוק עקביות ולהפיק תוצאות אמינות יותר. תוצאות אלו מסייעות לזהות אילו שעונים אופטיים עשויים להוות בסיס להגדרה החדשה של השנייה."

לצורך ביצוע המדידות, היה צורך לקשר את תדרי היציאה של השעונים השונים. החוקרים השתמשו בשתי שיטות: אותות רדיו מלוויינים ואור לייזר העובר בסיבים אופטיים.

שיטת הלוויינים התבססה על אותות GPS, שהיו זמינים לכל השעונים בניסוי. אך לשיטה זו יש מגבלות דיוק עקב רעשי אותות ומגבלות ציוד.

בנוסף, נעשה שימוש בסיבים אופטיים מותאמים, שאפשרו מדידות מדויקות פי 100 לעומת שיטת הלוויינים. קישורים אלו שימשו לחיבור שעונים בצרפת, גרמניה ואיטליה. השוואות מקומיות בגרמניה ובבריטניה, בהן מספר שעונים פעלו באותו מוסד, בוצעו בסיבים קצרים, שהפחיתו עוד יותר את אי-הוודאות.

לדברי החוקרים, תיאום הפעולה בו-זמנית של עשרה שעונים מדויקים במדינות שונות וכל הקישורים ביניהם דרשו תכנון נרחב מראש. גם ניתוח הנתונים הציב אתגרים.

"לא כל התוצאות תאמו את הציפיות שלנו, וחלק מהמדידות הראו אי-עקביות," אמרה ד"ר רייצ'ל גודון, מדענית בכירה ב-NPL. "עם זאת, בזכות השוואת שעונים רבים ושימוש בשיטות קישור שונות, הצלחנו לזהות את מקור הבעיות."

הניסוי גם זיהה תחומים הדורשים עבודה נוספת — לדוגמה, הפחתת אי-הוודאות במדידות לרמת הדיוק של השעונים עצמם, וביצוע מדידות חוזרות לאימות תפקוד תקין. בנוסף, יש לעמוד במספר קריטריונים נוספים לפני שניתן יהיה להגדיר מחדש את השנייה, כולל הוכחה לכך ששעונים אופטיים יכולים לתרום באופן עקבי לקביעת סולמות זמן בינלאומיים.

למאמר המדעי

הפוסט מדענים קובעים את השעון מחדש: צעד גדול לקראת הגדרה מחודשת של השנייה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

למרות הצורך הגובר בכוח אדם בתעשיית השבבים בארצות הברית, שיעור הנשים בתפקידים טכנולוגיים נותר נמוך באופן מדאיג. על פי דו"ח שפורסם באפריל 2025, ב-51% מהחברות פחות מ-20% מהמשרות הטכנולוגיות מאוישות על ידי נשים. במקביל, נרשמה ירידה במספר החברות שמתחייבות פומבית לשוויון הזדמנויות – נסיגה שמדאיגה את מומחי התחום.

בריאיון ל-IEEE Spectrum, אנדריאה מוחמד, מנכ"לית שותפה של חברת QuantumBloom, מזהירה כי מדובר בכשל מערכתי עמוק. החברה עוסקת בליווי נשים בראשית דרכן בקריירות STEM, ומזהירה מהשלכות "דליפת צינור הכישרונות" – תהליך שבו נשים עוזבות את התחום כבר בצעדים הראשונים בקריירה.

לדבריה, "התעשייה מדברת על מה היא צריכה ממערכת החינוך, אבל כמעט לא שומעים את קול הדור הבא. אנחנו לא מצליחים למשוך את הכישרונות החדשים, במיוחד נשים, פשוט כי אנחנו לא מקשיבים למה שהן צריכות."

מוחמד מצביעה על פרדוקס מטריד: דווקא כאשר יש צורך קריטי להרחיב את כוח האדם המקומי – בשל מגמות של השבת ייצור השבבים לארה"ב ולחצים גיאופוליטיים – ההשקעה בתוכניות לשילוב נשים בתעשייה מצטמצמת. "זה לא עניין של גיוון לשם גיוון. מדובר בפיתוח ההון האנושי – אם נשים בורחות מהתעשייה, צריך להבין למה ולטפל בזה."

לדבריה, הסיבות המרכזיות לעזיבה כוללות תרבות ארגונית מיושנת, היעדר תמיכה בשלבים הראשונים בקריירה, ומחסור ביוזמות כמו תכניות חניכה, מסלולי רוטציה והכשרה מנהיגותית. "בחברות אחרות – במיוחד מחוץ להנדסה – משקיעים בעובדים הצעירים. בתעשיית השבבים, זה כמעט לא קיים."

מוחמד מציינת שדו"ח של Global Semiconductor Alliance ואקסנצ'ר מעיד על נסיגה בהתחייבויות החברות לנושאי גיוון – מגמה שהיא מכנה "קנרית במכרה פחם". לדבריה, "השאלה איננה אם יוזמות כמו QuantumBloom מסכנות את החברה – אלא מה הסיכון האמיתי: שפשוט לא יהיו לכם עובדים לפאבים (fabs)."

כדי להפוך למגנט לכישרונות מכלל הקהילות, ובפרט נשים, היא קוראת לשינוי עמוק בתרבות הארגונית ולבניית מקומות עבודה מכלילים באמת – לא כסיסמה, אלא כיעד עסקי אסטרטגי.

הפוסט תעשיית השבבים לא יכולה להרשות לעצמה לנטוש את הנשים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

תגלית פורצת דרך מהאוניברסיטה של מישיגן גילתה שצורה חדשה של סיליקון יכולה לפעול כמוליך למחצה. הממצא הזה מאתגר את הסבָרה הוותיקה שסיליקונים הם רק חומרים מבודדים.

"החומר פותח אפשרויות חדשות לסוגים חדשים של מסכים דקים, תאים סולריים גמישים, חיישנים לבישים או אפילו בגדים שיכולים להציג תבניות או תמונות שונות", אמר ריצ'רד ליין, פרופסור למדעי והנדסת חומרים ומחבר מכותב של המאמר.

עשרות שנים משתמשים בשמני סיליקון וגומי סיליקון כי הם מתנגדים לזרימת חשמל וחום. בגלל תכונות האטימות למים שלהם הם אידיאליים למכשירים ביו-רפואיים, חומרי איטום, ציפויים אלקטרוניים ועוד.

מוליכים למחצה רגילים בדרך כלל קשיחים. לסיליקון מוליך למחצה יש פוטנציאל לאפשר את האלקטרוניקה הגמישה שליין תיאר וגם סיליקון במגוון של צבעים.

המבנה המולקולרי ותגלית המוליכות

ברמה המולקולרית, סיליקונים מורכבים משידרה של אטומי סיליקון וחמצן לסירוגין (Si‑O‑Si) עם קבוצות אורגניות (מבוססות פחמן) שקשורות לסיליקון. תצורות תלת מימדיות שונות של שרשראות פולימריות מופיעות כשהן מתחברות ביניהן, מה שמכונה הצלבה, וזה משנה את התכונות הפיזיקליות של החומר כמו חוזק או מסיסות.

כשהם חקרו מבנים מוצלבים שונים בסיליקון, צוות המחקר נתקל בפוטנציאל למוליכות חשמלית בקופולימר, שהוא שרשרת פולימרית המכילה שני סוגים שונים של יחידות נשנות – פולימרים במבנה כלוב ואז פולימרים ליניאריים במקרה הזה.

האפשרות למוליכות נובעת מהאופן שבו אלקטרונים יכולים לנוע על פני קשרי Si‑O‑Si עם אורביטלים חופפים. למוליכים למחצה יש שני מצבים עיקריים: מצב יסוד, שלא מוליך חשמל, ומצב מוליך שכן מוליך. המצב המוליך, הנקרא גם מַצָּב מְעוֹרָר, מתרחש כשחלק מהאלקטרונים קופצים אל אורביטל האלקטרונים הבא, שמחובר על פני החומר כמו מתכת.

בדרך כלל, הזוויות של קשרי ה‑Si‑O‑Si לא מאפשרות את החיבור הזה. ב-110°, הן רחוקות מקו ישר של 180°. אבל בקופולימר הסיליקון שהצוות גילה, הקשרים האלה התחילו ב-140° במצב היסוד – ומשתרעים עד ל-150° במצב המעורר. זה הספיק כדי ליצור דרך לזרימה של מטען חשמלי.

"זה מאפשר אינטראקציה בלתי צפויה בין אלקטרונים על פני קשרים מרובים כולל קשרי Si‑O‑Si בקופולימרים האלה", אמר ליין. "ככל שהשרשרת ארוכה יותר, קל יותר לאלקטרונים לנוע מרחקים ארוכים יותר, ולהפחית את האנרגיה הנחוצה כדי לבלוע אור ולאחר מכן לפלוט אותו באנרגיות נמוכות יותר".

תכונות המוליכות למחצה של קופולימרי הסיליקון מאפשרים גם את קשת הצבעים. אלקטרונים קופצים בין מצב היסוד והמצב המעורר על ידי בליעת ופליטת פוטונים, או חלקיקי אור. פליטת האור תלויה באורך של שרשרת הקופולימר, שהצוות של ליין יכול לשלוט בו. שרשראות ארוכות יותר פירושו קפיצות קטנות יותר ופוטונים עם פחות אנרגיה, מקנים לסיליקון גון אדום. שרשראות קצרות יותר מצריכות קפיצות גדולות יותר של האלקטרונים, כך שהן פולטות אור עם יותר אנרגיה לכיוון הקצה הכחול של הקשת.

הפוסט מדענים הפכו מבודד למוליך למחצה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

שבבים הם הדלק של מהפכת הבינה המלאכותית

שבבי AI ובעיקר יחידות עיבוד גרפיות (GPU) ומאיצים ייעודיים – הם הלב הפועם של מערכות בינה מלאכותית. הם מאפשרים לאמן מודלים עצומים, להריץ יישומים בזמן אמת, ולבצע חישובים מורכבים במהירות וביעילות. ככל שהמודלים הופכים גדולים ומורכבים יותר, כך עולה הדרישה לשבבים חזקים יותר, חסכוניים יותר, ומותאמים למשימות ספציפיות.

NVIDIA  – המלכה הבלתי מעורערת של שוק ה- AI

חברת NVIDIA ממשיכה לשלוט בשוק שבבי ה AI- עם סדרת השבבים Blackwell שלה, שנחשבת לסטנדרט בתעשייה. החברה מדווחת על ביקוש עצום מצד ענקיות ענן כמו אמזון, גוגל ומטה, ואף מצליחה לפצות על מגבלות הייצוא לסין באמצעות חוזים חדשים עם ממשלות וארגונים בתחום ה AI- הריבוני. שווי השוק של NVIDIA חצה כבר את רף  ה- 3.5 טריליון דולר, והמשקיעים רואים בה עוגן מרכזי במהפכת הבינה המלאכותית.

Broadcom:  – האלטרנטיבה המותאמת אישית

בעוד ש NVIDIA -מספקת שבבים כלליים רבי עוצמה,  חברת , Broadcom מתמקדת בפתרונות מותאמים אישית כגון מאיצים ייעודיים (XPUs) ורכיבי תקשורת מהירים במיוחד. החברה מדווחת על צמיחה של 170% בהכנסות מתחום ה AI -ברבעון האחרון, כאשר כמעט מחצית מהכנסותיה מגיעות ממוצרים הקשורים לבינה מלאכותית. לקוחות כמו גוגל, מטה ואמזון כבר פרסו מאות אלפי מאיצים של Broadcom והחברה צופה שהביקוש ימשיך לעלות עד 2027.

AMD  – המאתגרת הנחושה

 AMD שבעבר נחשבה לשחקנית משנית בתחום ה AI- מציגה לאחרונה קפיצת מדרגה משמעותית. סדרת השבבים החדשה שלה, Instinct MI400 נחשפה באירוע נוצץ בהשתתפות מנכ"לית החברה ליסה סו ומנכ"ל OpenAI סם אלטמן, שהכריז כי OpenAI תשתמש בשבבים של  .AMD החברה מתמקדת בפתרונות rack-scale – מערכות שלמות שפועלות כיחידה אחת , ומציעה יחס עלות-ביצועים אטרקטיבי במיוחד. לפי,  AMD השבבים שלה מספקים עד 40% יותר "טוקנים" לדולר בהשוואה למתחרים.

השלכות גלובליות: מאבקי שליטה, השקעות עתק, ומחסור מתמשך

הביקוש הגובר לשבבי AI יוצר תחרות עזה לא רק בין חברות, אלא גם בין מדינות. ממשלות משקיעות מיליארדים בפיתוח שבבים מקומיים כדי להבטיח עצמאות טכנולוגית. ארה"ב, סין, האיחוד האירופי וישראל מקדמות יוזמות להקמת מפעלי ייצור מתקדמים, אך המחסור בשבבים צפוי להימשך לפחות עד 2026.

במקביל, חברות ענן וסטארטאפים נאלצים להמתין חודשים ארוכים לקבלת שבבים, מה שמעכב פיתוחים ומעלה את מחירי השכרת GPU בענן. חלק מהחברות אף פונות לפתרונות יצירתיים כמו שימוש בשבבים ישנים יותר או מעבר לארכיטקטורות פתוחות.

המנצחים האמיתיים: מי שמחזיק בשבבי הסיליקון

בעידן שבו אלגוריתמים הם המלכים, השבבים הם הכתר. חברות כמו NVIDIA, Broadcom ו-AMD  לא רק מספקות את החומרה – הן מכתיבות את קצב החדשנות. ככל שהבינה המלאכותית תמשיך לחדור לעוד תחומים – מרכב אוטונומי ועד רפואה מותאמת אישית – כך יגבר הצורך בשבבים חזקים, יעילים וזמינים.

הבהלה לשבבי AI היא לא רק תופעה טכנולוגית – היא סימן לעידן חדש שבו מי שמחזיק בשבבי הסיליקון, מחזיק את המפתח לעתיד הטכנולוגי הגלובלי.

הפוסט בהלת השבבים: המרוץ הגלובלי אחר שבבי AI מצית את שוק הסיליקון הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בליבה של שינוי זה עומדת ההשקעה האסטרטגית של ישראל במערכות המונעות על ידי בינה מלאכותית. על פי משרד הביטחון הישראלי, המדינה השיקה יוזמה רב שנתית לשילוב בינה מלאכותית ורובוטיקה בפעולותיה הצבאיות, במיוחד אלו המכוונות לאיומים ארוכי טווח כמו איראן. זה כולל פיתוח פלטפורמות אוטונומיות, נחילי רחפנים ומערכות נתונים בזמן אמת שיכולות לזהות, לתעדף ולתקוף מטרות עם התערבות אנושית מינימלית.

אחת הפריצות דרך המשמעותיות ביותר הייתה השימוש בבינה מלאכותית באיסוף מודיעין ובניית בנק מטרות. על ידי עיבוד כמויות עצומות של תמונות לוויין, איסוף נתוני מודיעין ונתוני קוד פתוח, מערכות ישראליות יכולות כעת לזהות אתרי טילים נסתרים, מתקנים תת-קרקעיים ומשגרים ניידים עמוק בתוך שטח איראן. תובנות אלו מוזנות לאחר מכן למתקני תחמושת מונחית ומדויקת – שרבות מהן מופעלות על ידי שבבים שתוכננו בישראל, ומותאמים לקבלת החלטות בזמן אמת בתרחישי לחימה.

שילוב הטכנולוגיות הללו איפשר לישראל לבצע תקיפות כירורגיות הממזערות נזק משני תוך מיקסום ההשפעה האסטרטגית. דיווחים מצביעים על כך שבמהלך המבצעים האחרונים, כוחות ישראליים ניטרלו בהצלחה נכסים איראניים בעלי ערך גבוה, כולל מרכזי פיקוד ומחסני נשק, בסיוע בינה מלאכותית.

קפיצה הטכנולוגיהשל ישראל אינה מקרית. זוהי תוצאה של שנים רבות של השקעה אסטרטגית מצד מערכת הביטחון הישראלית במה שהיא מכנה "תוכנית רב שנתית לעומק" – מדובר ביוזמה מתוכננת שמטרתה להפוך את צה"ל לכוח דומיננטי מבחינה דיגיטלית המסוגל לפעול הרבה מעבר לגבולותיו. בלב השינוי הזה טמונה מחויבות לבינה מלאכותית, רובוטיקה ומערכות אוטונומיות שנועדו לעקוף ולהיות חכמות יותר מאשר יריביתיה של ישראל בזמן אמת.

כבר בשנת 2023 בהיותו מנכ"ל משרד הבטחון הביע אייל זמיר, כיום רמטכ"ל צה"ל, את אמונתו בישומי הבינה המלאכותית. בין השאר צוטט בכנס הרצליה באומרו: המשימה שלנו היא להפוך את מדינת ישראל למעצמת AI ולהיות בראש רשימה מצומצמת מאוד של מעצמות החברות במועדון זה" –  בינואר 2025 בעת שחנך את מינהלת הבינה המלאכותית של משרד הבטחון אמר: היכולות שיפותחו במינהלת יובילו לעליונות מבצעית ולהכרעת המערכה העתידית בתנאים טובים יותר תוך צמצום פגיעה בחיי אדם".

העליונות הזו כבר מורגשת. בתקיפות האחרונות כנגד תשתיות צבאיות איראניות – כולל מחסני טילים ומרכזי פיקוד לכאורה – דווח כי כוחות ישראליים השתמשו במערכות מיקוד בסיוע בינה מלאכותית המסוגלות לנתח תמונות לוויין, מודיעין אותות והזנות מידע מרחפנים בזמן אמת כדי לזהות ולתעדף מטרות בעלות ערך גבוה. מערכות אלו, המופעלות על ידי שבבים שתוכננו בישראל, יכולות לעבד מערכי נתונים עצומים באלפיות השנייה, מה שמאפשר את מה שאנליסטים צבאיים מכנים "דומיננטיות החלטה" – היכולת לפעול מהר יותר ובדייקנות רבה יותר מהאויב.

ההשלכות עמוקות. במבצע אחד שדווח, רחפנים ישראליים המצוידים בתוכנת ניווט וזיהוי עצמים המונעת על ידי בינה מלאכותית הצליחו לחדור למרחב האווירי האיראני, להתחמק מגילוי מכ"ם ולשלוח מטענים בדיוק רב. בניגוד לתקיפות אוויריות מסורתיות, שלעתים קרובות מסתמכות על טייסים אנושיים וקואורדינטות מתוכנתות מראש, מערכות אוטונומיות אלו מסתגלות למציאות באמצע הטיסה, ומגיבות לתנאים משתנים ולמידע חדש תוך כדי תנועה.

מעבר זה לכיוון מערכות אוטונומיות אינו מוגבל רק לאוויר. יחידות רובוטיות קרקעיות ורחפנים ימיים משולבים גם הם בערכת הכלים המבצעית של ישראל, ויוצרים רשת רב-תחומית של פלטפורמות חכמות שיכולות לפעול יחד. מערכות אלו נועדו לא רק לתקוף אלא גם ללמוד – כל משימה מזינה נתונים בחזרה למודלים של למידת מכונה המשפרים ביצועים עתידיים.

מבקרים העלו חששות אתיים לגבי התפקיד הגובר של בינה מלאכותית בלוחמה, והזהירו מפני עתיד שבו מכונות מקבלות החלטות של חיים ומוות ללא פיקוח אנושי. ישראל, מצידה, מתעקשת שכל המערכות האוטונומיות יישארו תחת פיקוד אנושי וכי פרוטוקולים מחמירים מסדירים את השימוש בהן.

כבר כעת ברור, שהיתרון הטכנולוגי של ישראל מעצב מחדש את המאזן האסטרטגי במזרח התיכון. איראן, אשר זה מכבר הסתמכה על כוחות שלוחיה (חיזבאללה, חמאס ודומיהם)  וטקטיקות הסתה כנגד ישראל וארה"ב, ניצבת כעת מול אויב המסוגל לנטרל איומים לפני שהם מתממשים. דבר זה אילץ את טהרן לחשוב מחדש על הדוקטרינה הצבאית שלה. כיום יש כבר דיווחים המצביעים על כך שאיראן מאיצה את יכולות הבינה המלאכותית והסייבר שלה בתגובה.

ההשלכות הגיאופוליטיות הרחבות יותר משמעותיות באותה מידה. הצלחתה של ישראל בשילוב בינה מלאכותית באסטרטגיית ההגנה שלה משכה את תשומת ליבן של בעלות ברית ויריבים כאחד. חברות נאט"ו הביעו עניין באימוץ מערכות דומות, בעוד שמדינות כמו סין ורוסיה ממהרות לפתח ארסנל משלהן המופעל על ידי בינה מלאכותית.

נראה ששדה הקרב של העתיד יעסוק פחות בכוח ברוטלי ויותר בעליונות חישובית. ככל שהסכסוך עם איראן ממשיך להתפתח, דבר אחד בטוח: כללי המלחמה נכתבים מחדש – לא על ידי גנרלים או דיפלומטים, אלא על ידי מהנדסים ומדעני נתונים. בעידן החדש הזה של לוחמה מדויקת, הנשק החזק ביותר אולי אינו טיל או רחפן, אלא הקוד שמנחה אותו.

הפוסט היתרון הישראלי בסכסוך האיראני – לוחמה מדויקת בעזרת שבבים ובינה מלאכותית הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אינטל הציגה את הדור הבא של (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) EMIB טכנולוגיית קישור אופקית בין שבבים (dies) שמאפשרת חיבור בצפיפות גבוהה על גבי תשתית אחת, ללא צורך בשכבת ביניים כמו .interposer הגרסה החדשה מציעה:

• שיפור של פי 2 ברוחב הפס לעומת הדור הקודם – עד 1.2 טרה-ביט לשנייה לכל מילימטר.
• חיסכון של עד 45% בצריכת חשמל תודות לנתיבי אות קצרים יותר.
• תמיכה בחיבור עד 6 רכיבים על גבי אותה אריזה – עם מגוון קומבינציות אפשריות, כולל ,GPU ,CPU זיכרון, שבבים ייעודיים ועוד.

הטכנולוגיה כבר נמצאת בשימוש מסחרי עם יותר מ־15 מיליון אריזות EMIB שנשלחו עד כה, ומהווה בסיס לארכיטקטורות כמו Meteor Lake ,Ponte Vecchio ו.Falcon Shores-

BSPDN  הספקת חשמל מגב השבב – צעד אל עבר שבבים צפופים יותר.

אחת ההצעות החדשניות ביותר שהוצגו הייתה ארכיטקטורה מבוזרת של רכיבים (tiled architecture) בתוספת BSPDN   – (Backside Power Delivery Network) מערכת שמעבירה את אספקת החשמל לגב השבב (ולא דרך השכבות העליונות כפי שהיה נהוג עד כה).

שיטה זו מביאה עמה שורה של יתרונות:

• הפחתת רעש חשמלי באותות הקריטיים.
• שיפור ביכולת התכנון והפניית החזית העליונה של השבב לאותות בלבד.
• עלייה ביעילות האנרגטית ובצפיפות החישוב, דבר חיוני ביישומי בינה מלאכותית עתירי עיבוד.

במצב בו עומסי העבודה של AI דורשים יותר ויותר טרנזיסטורים, BSPDN מהווה פתרון אידאלי לעמידה בצרכים המורכבים של העתיד.

CMOS Bridge  חיבור חכם יותר בין שבבים:

טכנולוגיית האריזה החדשה CMOS Bridge מבוססת על שכבת סיליקון פעילה, שמאפשרת קישוריות באיכות גבוהה יותר ובצפיפות גדולה יותר לעומת .EMIB השימוש במעגלים פעילים (ולא רק מבנה פאסיבי) מאפשר:

• הפחתת התנגדות חשמלית.
• אפשרויות חיבור גמישות במיוחד – כולל לשבבים שיוצרו בתהליכים שונים.
• שיעורי הצלחה גבוהים בייצור עם ממצאים חיוביים בנוגע לאמינות, תאימות תרמית, והתנהגות אלקטרונית לאורך זמן.

השורה התחתונה

מערכות בינה מלאכותית מתקדמות דורשות שילוב בין מספר סוגי רכיבים – ,GPU ,NPU ,CPU זיכרון מהיר ורכיבים ייעודיים שצריכים לפעול יחד כיחידה אחת. אינטל פאונדרי מראה בכנס ECTC כיצד שילוב של EMIB ,BSPDN ו-CMOS  Bridge מאפשר זאת – בצורה מודולרית, חסכונית ומותאמת לדרישות ההולכות וגוברות של תעשיית הבינה המלאכותית.

החידושים הללו אינם רק תיאורטיים – מדובר בפתרונות שעוברים משלב המחקר אל הייצור, עם תכנונים שנמצאים כבר בשלבי שילוב אצל לקוחות ובמוצרים עתידיים של אינטל עצמה.

הפוסט אינטל פאונדרי מציגה חידושי חומרה לעידן הבינה המלאכותית הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מעגלים משולבים בתדרי רדיו (RFIC) הם קריטיים לקידום יכולות תקשורת – כמו המעבר מרשתות 5G ל-6G – וליישומים טכנולוגיים רבים אחרים. אבל גם שבבים אלה קשים מאוד לתכנון.

צוות רב-אוניברסיטאי עם מעורבות רבה של מובילי התעשייה פועל לשנות זאת. הצוות, בראשות חוקרים מאוניברסיטת טקסס באוסטין, מתכנן להטמיע בינה מלאכותית בתהליך התכנון של שבבים RFIC כדי להפחית את הקושי בייצור השבבים החשובים הללו.

"פרודוקטיביות התכנון היא בעיה עצומה עבור RFICs; ברוב המקרים, לוקח לפחות חודשים לתכנן שבב בודד", אמר דיוויד פאן, פרופסור במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש משפחת צ'נדרה בבית הספר להנדסה קוקרל והחוקר הראשי של הפרויקט. "המטרה שלנו היא לשפר משמעותית את פרודוקטיביות התכנון על ידי צמצום זמן הפיתוח והעלות באמצעות זרימת תכנון בסיוע בינה מלאכותית, תוך הורדת מחסום הניסיון בביצוע תכנוני RFIC."

כדי לתמוך במחקר זה, הצוות קיבל מענק של 9.6 מיליון דולר, למשך 30 חודשים, מ-Natcast, עמותה המפעילה את המרכז הלאומי לטכנולוגיית מוליכים למחצה (NSTC). המרכז הוא קונסורציום שהוקם על ידי חוק השבבים והמדע כדי לסייע בחיזוק כל היבטי ייצור המוליכים למחצה בארצות הברית. הפרס הוא אחד משלושה, בסכום כולל של כ-30 מיליון דולר, והראשון אי פעם במסגרת  תוכנית העצמת עיצוב מעגלים משולבים המונעים על ידי בינה מלאכותית בתדרי רדיו של NSTC . המרכז הוא קונסורציום שהוקם על ידי חוק השבבים והמדע כדי לסייע בחיזוק כל היבטי ייצור המוליכים למחצה בארצות הברית.

המחקר:  הפרויקט, שכותרתו "GENIE-RFIC: מנוע גנרטיבי לתכנון RFIC חכם ומואץ", מכוון הן למעגלי RFIC של מוליכים למחצה מסוג סיליקון משלים (CMOS) והן למעגלים משולבים מיקרוגל (MMIC) מונוליטיים מסוג גליום ניטריד (GaN). הכלים המונעים על ידי בינה מלאכותית יבצעו עיצובים "הפוכים" מהירים המבוססים על מפרטי היעד, תוך אופטימיזציה של טופולוגיות ופרמטרים של מעגלים.

כיום, שבבי RFIC דורשים תכנון מעשי נרחב, סימולציות יקרות וגוזלות זמן ועבודה מייגעת של ניסוי וטעייה. התחום הוא מאוד מיוחד, עם מעט חוקרים החוקרים אותו ומעט חברות המסוגלות לתכנן את השבבים הללו.

החוקרים שואפים להשתמש בבינה מלאכותית כדי לשנות את התהליכים הללו, לפרוס את הטכנולוגיה כדי לחקור עיצובים לא קונבנציונליים ולמטב אותם הרבה יותר מהר. כלי הבינה המלאכותית יאיצו את שלבי התכנון והאופטימיזציה המוקדמים. "סימולציית הזהב", כפי שכינה זאת דיוויד פן, עדיין תגיע בסוף כדי לסיים את העבודה ולוודא שהשבבים יתפקדו כמתוכנן.

"על ידי מינוף טכנולוגיות בינה מלאכותית וליטת מכונה, חברות ומכוני מחקר אמריקאים מוכנים לשנות את נוף תכנון ה-RFIC, לאפשר מחזורי תכנון קצרים משמעותית ולהשיג ביצועי RFIC גבוהים יותר", אמר מרקוס פאן – ללא קשר לדיוויד פאן – מנהל התוכנית של תוכנית AIDRFIC (Advanced Intelligence Artificial Radio Integrated Circuit Design Enablement) של Natcast, המממנת את פרויקט GENIE-RFIC. "השקעה זו ב-AIDRFIC מדגישה את מחויבותה של Natcast לקידום חדשנות ולהבטחת שמגזר המוליכים למחצה בארה"ב יישאר בחזית ההתקדמות הטכנולוגית בפס רחב, 5G וחומרת RF מהדור הבא".

למה זה חשוב:  RFICs הם קריטיים לכל דבר, החל מתקשורת ועד מכ"ם וטכנולוגיות מהדור הבא כמו כלי רכב אוטונומיים ומחשוב קוונטי. על ידי הורדת מחסום הכניסה והאצת תהליך התכנון, RFICs יכולים להפוך לנגישים יותר לחוקרים ולחברות שאחרת לא היו בעלי המומחיות או המשאבים להשתמש בהם.

"כאשר ניתן לפתוח טכנולוגיה מרכזית כמו RFIC למוחות יצירתיים יותר, זה יכול להיות רק דבר טוב", אמר סנסן לי, פרופסור משנה במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש משפחת צ'נדרה ושותף למחקר בפרויקט. "זה אומר שניתן להשתמש בה כדי לפתור יותר בעיות ולקדם חדשנות טכנולוגית הרבה יותר מהר."

הצוות:  דיוויד פן מצטרפים לעמיתים בהנדסת חשמל ומחשבים, איימי ג'אנג וסנסן לי, וכן לאדם קליוונס, פרופסור במחלקה למדעי המחשב במכללה למדעי הטבע ומנהל המכון ליסודות למידת מכונה. משתפי פעולה אקדמיים נוספים כוללים את דן ג'יאו, מאוניברסיטת פרדו; ויידונג קאו, מאוניברסיטת ג'ורג' וושינגטון; קנת' או, מאוניברסיטת טקסס בדאלאס; וטאיון צ'י, מאוניברסיטת רייס.

שותפים בתעשייה כוללים את IBM, Cadence ו-GlobalFoundries. החוקרים מפתחים חברת סטארט-אפ, CircuitGenie, כדי למסחור טכנולוגיות מתוכנית זו. מספר שותפים שאינם זוכים למימון תורמים לעבודה, ביניהם: המכון האלקטרוני של טקסס, Qorvo, NVIDIA, Boeing, Texas Instruments, Analog Devices, MediaTek ועוד.

הפוסט האם בינה מלאכותית יכולה להפוך שבבי תקשורת קריטיים לקלים יותר לתכנון? הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מחקר שנערך באוניברסיטת בן-גוריון בנגב מתקרב בכמה צעדים בודדים לרתימת תאי  Tשל המטופל עצמו למאבק בסרטן. טיפול זה כרוך בבידוד של תאי T מהדם של המטופל ותכנותם מחדש במטרה לזהות ולהשמיד טוב יותר תאים סרטניים. הטיפול החדשני מבוסס על ייצור ננו-מבנים המדמים את התאים שמפעילים תאי T ומבוססים על טכנולוגיית ייצור שבבים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת  Advanced Materials.

מערכת החיסון שלנו נועדה להגן עלינו על ידי זיהוי ותקיפת תאים נגועים או חולים. עם זאת, תאים סרטניים מצליחים לעתים קרובות "לרמות" את מערכת החיסון על ידי העמדת פנים שהם תאים בריאים ובכך להשבית מנגנוני תקיפה של תאי מערכת החיסון. בשנים האחרונות פותח טיפול חדשני המסייע למערכת החיסון להילחם בסרטן בצורה יעילה יותר. טיפול זה כרוך בבידוד של תאי  T, שהם "החיילים הקרביים" של מערכת החיסון , מהדם של חולה, ותכנותם מחדש במעבדה כדי לזהות ולהשמיד טוב יותר תאים סרטניים.

במהלך תהליך התכנות מחדש, תאי ה- Tמופעלים באופן דומה להפעלה שלהם בגוף בעת זיהום, ומהונדסים גנטית כדי לייצר קולטנים מיוחדים על פני השטח שלהם הנקראים קולטני אנטיגן כימריים – chimeric antigen receptors (CAR) שבאמצעותם תאי T מהונדסים מזהים תאי סרטן מסוגים ספציפיים. לאחר הגדלת הכמות של התאים המתוכנתים מחדש, המכונים כיום תאיCAR T , מוזרקים אלה בחזרה לדם חולה, שם הם פועלים בדיוק מירבי, מוצאים ומשמידים תאי סרטן שמערכת החיסון הטבעית עלולה להתעלם מהם.

טיפול בתאי CAR T נחשב למהפכה בריפוי סרטן, ומציע מספר יתרונות על פני כימותרפיה מסורתית. הוא מספק מיקוד מדויק של סוגי סרטן ספציפיים, משתמש בתאי החיסון של החולה עצמו לטיפול מותאם אישית, ומוכיח הצלחה יוצאת דופן בטיפול בסוגי סרטן דם, כמו לוקמיה ולימפומה, שלעתים קרובות אינם מגיבים לטיפולים קונבנציונליים. עם זאת, למרות ההבטחה הגלומה בו, הטיפול באמצעות תאי CAR T  עדיין מוגבל. אחת הסיבות המרכזיות הינה אורך הפעולה הקצר של תאיCAR T , שמותשים במהרה לאחר הזרקה לדם של המטופל.

כדי להתמודד עם בעיה זו, שתי קבוצות מחקר מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, בראשות פרופ' מארק שוורצמן מהמחלקה להנדסת חומרים ופרופ' אנג'ל פורגדור מהמחלקה לאימונולוגיה, שתפו פעולה במטרה לחקור מדוע תאי T נשארים פעילים בגוף במהלך תגובות חיסוניות טבעיות אך מאבדים במהירות תפקוד כאשר הם מופעלים ומהונדסים גנטית באופן מלאכותי במעבדה. הם שיערו כי הבדל עיקרי טמון במאפיינים הפיזיים של הסביבה שמפעילה את התאים: במעבדה, תאי T בדרך כלל מגורים באמצעות חרוזי פלסטיק נוקשים המצופים במולקולות מפעילות. בגוף, לעומת זאת, תאיT  מגורים על ידי תאים נושאי אנטיגן, תאים לא תקינים או תאים נגועים, שהם בדרך כלל רכים ואלסטיים, עם משטחים מורכבים המכוסים בבליטות ננומטריות הדומות לזרועות זעירות.

אי לכך הם הנדסו משטחים מלאכותיים מכוסים בננו-מבנים המחקים את אלה שעל תאים המגרים תאי T  בגוף. החוקרים גילו שתאי T אנושיים שנלקחו מדגימות דם והופעלו על משטחים מלאכותיים אלה, הציגו הפעלה חזקה וארוכת טווח משמעותית, המדמה את סביבתם הטבעית. יתר על כן, הם הבינו שניתן לכוונן את עוצמת הגירוי על ידי התאמת הגיאומטריה והקשיחות של הננו-מבנים, ממצאים שפרסמו במספר מאמרים בשנים האחרונות.

מעודדים מממצאים אלו, פרופ' שוורצמן ופרופ' פורגדור הציבו לעצמם את המטרה השאפתנית הבאה: לתכנן משטחים מלאכותיים בעלי ננו-מבנה המותאמים במיוחד ליצירת תאי CAR T חזקים ובעלי פעילות נגד סרטן לטווח ארוך.לשם כך, הם יצרו ספרייה של משטחים עם ננו-גיאומטריות וקשיחויות מכניות מגוונות והעריכו את השפעתם על מספר קריטריונים של הצלחה בתגובת תאי T כמו: אופן ההפעלה, תשישות, התרבות ותכנות מחדש של .CAR T

"פתאום", סיפר פרופ' פורגדור, "מצאנו את עצמנו מוצפים בנתונים מעיצובי משטחים שונים. מעבר לעובדה שנעשה שימוש בתאי T של תורמים מרובים, שלכל אחד מהם תגובות ספציפיות לאדם, זה הרגיש כמו תחרות רב- קרב, שבה כל שהיינו צריכים זה לזהות את המתחרה בעל ההישגים הטובים ביותר."

כדי לפתור את הבעיה, הם שיתפו פעולה עם עמיתם ד"ר אופיר כהן, ביואינפורמטיקאי שהשתמש בניתוח חישובי מתקדם כדי לזהות את המשטח המבטיח ביותר, על סמך מדדי ביצועים מצטברים. המשטח שנבחר סיפק הפתעות נוספות. תאי CAR T שנוצרו בעזרתו ביטאו רמות גבוהות של גנים הקשורים לפעילות אנטי-סרטנית ארוכת טווח, במיוחד אלו הקשורים לתת-אוכלוסייה המכונה "תאי T עם זיכרון מרכזי", שהם המפתח לטיפול יעיל בסרטן. ואכן, תאי CAR T שיוצרו באמצעות משטח זה הכילו משמעותית יותר מתאי זיכרון מרכזיים מאשר אלו שיוצרו באמצעות חרוזי פלסטיק קונבנציונליים. בהמשך, החוקרים הראו שתאי CAR T  המופקים באמצעות המשטח עם הנו-מבנים, הם בעלי יכולת זיהוי והשמדת תאי סרטן הרבה יותר חזקה וארוכת טווח לעומת תאי T CAR  המופקים בשיטות קיימות, באמצעות מספר ניסוים במעבדה ובמודלים של עכברים. כעת, מתמקדים החוקרים בהרחבת הטכנולוגיה שלהם ובמעבר ממעבדת המחקר ליישום קליני.

"כדי לייצר ננו-מבנים מפעילים אלה השתמשנו בתחילה בטכניקות שהותאמו מטכנולוגיית ייצור שבבים", הסביר פרופ' שוורצמן. "הביקוש המתמשך לרכיבים אלקטרוניים קטנים יותר ויותר בשבבים הביא את הטכנולוגיה הזו לנקודה שבה ניתן לייצר מבנים כמעט בכל גודל, אפילו ברמה המולקולרית. יתר על כן, המגוון הרחב של חומרים תואמים מאפשר ייצור לא רק של מבנים ממוזערים מסיליקון, כפי שמשמשים בשבבים, אלא גם של חומרים ביו-אקטיביים המתאימים לשילוב עם מערכות ביולוגיות. עם זאת, שיטות מעין אלו יקרות ולא מעשיות לייצור המוני של מוצרים ביו-רפואיים."

הצוות פיתח שיטות ננו-טכנולוגיות חסכוניות המתאימות לייצור הניתן להרחבה ברמה קלינית, וכבר ייצר אבות טיפוס ראשונים של משטחים מפעילים המסוגלים לייצר תאי CAR T בכמות המספיקה לטיפול בסרטן באדם מבוגר בקנה מידה קליני.

קבוצת המחקר כללה את הדוקטורנט עבד אל-קאדר יאסין, ובתר דוקטורנט ד"ר קרלוס אורנה מרטין, וכן חברים במספר קבוצות מחקר מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב ומאוניברסיטת פנסילבניה.

הפוסט הנשק מול מחלת הסרטן: תאי T המבוססים על טכנולוגיית ייצור שבבים הופיע לראשונה ב-Chiportal.