לפני 30 שנה הכילו המחשבים הביתיים כמות מזערית של מידע. מחשב היה מאובזר בממוצע בזיכרון קשיח בנפח של מספר מגה בתים בודדים, ונדרשנו כל הזמן להעתיק ולמחוק תוכנות בגלל חוסר מקום. ואז, כמעט בין לילה, האנושות זרקה את הדיסקטים.

“פתאום היה בום של דאטה”, נזכר ד”ר אמיר קפואה מהמחלקה לפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית בירושלים. “יצאו לשוק דיסקים קשיחים בנפחים של גיגה בית ואחר כך טרה בית – נפחים שהיו דמיוניים עד אז. המהפכה הזאת בעולם הזיכרון נולדה כתוצאה ממהפכה בענף הספינטרוניקה. כידוע, לכל אלקטרון יש ספין – הוא כאילו מסתובב סביב עצמו, כמו סביבון. אם נזרים זרם חשמלי במעגל, הוא יזרום באקראי: אלקטרון אחד יהיה עם ספין למעלה, אחד עם ספין למטה, אחד למעלה ואחד למטה. בלגן. אבל אם נצליח לסדר את כל הספינים כך ש’יצביעו’ לכיוון אחד, נוכל לנצל תכונה נוספת של האלקטרונים שזורמים במעגל, מעבר למטענם. תכונה זו היא התנע הזוויתי הספיני שלהם. כך נוכל לחלץ עוד מידע ולבצע עוד פעולת חישוב. הדיסק הקשיח הוא המוצר הספינטרוני הראשון: הוא מבוסס על ההתנגדות המגנטית העצומה לזרמים מקוטבי ספין”.

מה השאלה? מדוע כדאי להניע אלקטרונים במסילות?

ד”ר קפואה – שעשה את הפוסט-דוקטורט שלו באותה קבוצה ב-IBM שפיתחה את הדיסק הקשיח – מספר שעולם הספינטרוניקה חווה היום מהפכה שנייה: את הזרמים מקוטבי הספין מתחילים לשזור במעבדים עצמם, כך שהטרנזיסטור כולו הופך לבית של זיכרון.

“לטכנולוגיה הזאת שמשלבת את הרכיב הספינטרוני בתוך המעבד יש יתרונות מובהקים”, מסביר ד”ר קפואה. “היא זולה, היא חסכונית, היא לא נדיפה, אפשר לצופף אותה ועוד. אבל יש כאן בעיה אחת: הכתיבה שלה איטית. או, במילים אחרות, צריך להשקיע הרבה אנרגיה כדי לכתוב מהר. לכן, טרנזיסטור הזיכרון, שנשמע אידיאלי על הנייר, נמצא בשימוש רק בכ-5% מהיישומים. עולם הזיכרון מחכה לפתרון לבעיית המהירות.

ב-15 השנים האחרונות מדענים מחפשים אחר אפקטים פיזיקליים שיכולים לקטב ספינים ביעילות, כדי לפתור את בעיית המהירות. אחד האפקטים האלה הוא ה”ספין הול אפקט” (Spin Hall Effect), שמאפשר לקטב ספינים בדרך של הזרמת זרם במתכות. אלא שאותן מתכות מוכרחות להיות כבדות, כלומר, יקרות, והקיטוב אינו יעיל מספיק. ד”ר קפואה ושותפיו למחקר זכו במענק מהקרן הלאומית למדע, במטרה לבדוק כיוון אחר: האורביטל הול אפקט (Orbital Hall Effect).

במקום להשתמש בסיבוביות של הספין סביב עצמו כדי להעביר את המידע על התנע זוויתי, אפשר להשתמש בתנע של המסלול שבו האלקטרונים נעים.

“במקום להשתמש בסיבוביות של הספין סביב עצמו כדי להעביר את המידע על התנע זוויתי, אני יכול להשתמש בתנע של המסלול שבו האלקטרונים נעים”, אומר ד”ר קפואה. “אני יכול להצמיד שני אטומים זה לזה, והאלקטרון יעבור מהמסילה של האחד למסילה של השני וכך הלאה – וזה יאפשר העברה של תנע זוויתי בשיטה אחרת. מדובר בפריצת דרך: השימוש במסילות במקום בספינים פותח את עולם הספינטרוניקה למתכות פשוטות. הספין הול אפקט דורש מתכות כמו פלטינה, שמחירה עומד על 28,000 דולר לק”ג. אנחנו היינו הראשונים בעולם שהראינו קיטוב ספינים בעזרת אורביטל הול אפקט באלומיניום ובנחושת. אלומיניום עולה היום 2.5 דולר לק”ג, ונחושת – כ-8 דולר לק”ג. המחקר כבר פורסם ב-Physical Review B, וחוקרי ספינטרוניקה אחרים כבר הוכיחו שהאפקט אפשרי גם במתכות זולות אחרות”.

לצורך הדגמת האורביטל הול אפקט, פיתחו חברי הקבוצה של ד”ר קפואה שיטת מדידה חדשה. לשיטה החדשנית שלהם הם קראו Ferris, שכן שהיא מבוססת על דיסק שעליו מצמידים מגנטים חזקים שמסתובבים במהירות רבה אשר מאפשר להגדיל את הרגישות לזרמים מקוטבי ספין שנוצרים בשבב. מקור השם במשחק מילים המורכב מהמילה הלטינית לברזל, Ferrum, ומשמו של ממציא הגלגל הענק בפארקי השעשועים, שעל שמו נקרא גלגל זה – Ferris Wheel.

“בטכנולוגיה שפיתחנו, אנו מניעים את האלקטרונים במסילות מוגדרות במתכות הפשוטות ובסוף ומתאימים אותן לספינים. התוצאה היא גנרציה של אלקטרונים מקוטבי ספין שנעים במעגל – ואת היצור הזה אנחנו כבר מכירים. לכן, ההתקן שפיתחנו מורכב ממספר שכבות שביסודן השכבה של המתכת הפשוטה שבה מתחולל האורביטל הול אפקט, ומעליה אנו מצמידים שכבה דקה מאוד – בעובי של שני אטומים בלבד של המתכת הכבדה, כמו פלטינה,  שמצמדת את התנע הזוויתי של המסילה לספין. כך אנחנו נהנים משני העולמות: מהמחיר של האורביטל הול אפקט ומהשליטה בקיטוב הספינים שמאפשרת שכבת ההמרה; והכל מיוצר פה אצלנו, בייצור ישראלי כחול-לבן”.

הפוסט המרוץ לנחושת הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב חושף מערכת גבישים דו-ממדית המאפשרת שליטה ייחודית במטען החשמלי שלה באמצעות החלקה בין שכבות אטומיות. המערכת החדשה יוצרת שלבי סולם בעובי אטומי של פוטנציאלים חשמליים נפרדים ומוגדרים היטב, וייתכנו לה שלל יישומים בתעשייה בכלל ובטכנולוגיות מידע בפרט.

המחקר נערך בהובלת צוות החוקרים: ד"ר סווארופ דב, סטודנט המחקר נועם ראב, פרופ' משה גולדשטיין וד"ר משה בן שלום, מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב, ד"ר וואי כאו, פרופ' עודד הוד ופרופ' מיכאל אורבך מבית הספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב, ופרופ' ליאור קרוניק ממכון ויצמן למדע.

תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature.

ד"ר משה בן שלום, ראש המעבדה לחומרים קוונטים שכבתיים בבית הספר לפיזיקה מסביר: "אנחנו סקרנים מאוד לגלות איך אטומים מחליטים להסתדר בחומר, איך האלקטרונים בוחרים להתערבב ביניהם ואיך אפשר לתמרן את הסדר האטומי והמטען החשמלי מבחוץ. קשה לענות על השאלות האלה בגלל הכמות הגדולה של האטומים והאלקטרונים אפילו בהתקנים המזעריים של היום. אחד הטריקים הוא לחקור גבישים, שכן האטומים שלהם מסודרים במבנה מחזורי, כך שהמידע על כל המערכת נקבע על ידי התכונות של התא המחזורי האחד – שכולל מספר בודד של אטומים ואלקטרונים. ועדיין קשה לנו להבין ולחזות את הסדר שלהם, בגלל שהאלקטרונים נפרסים בו-זמנית על פני כל האטומים והתכונות של המערכת הקוואנטית נקבעות על ידי כל החלקיקים יחד ויחסי הגומלין שביניהם".

דרך אחת לגלות את סדר האטומים ואת התפלגות המטען החשמלי היא לשבור את הסימטריה של המבנה, כך שייווצר שדה חשמלי פנימי קבוע בגביש. גבישים אלו נקראים "פולאריים" או מקוטבים. ב-2020 יצרה המעבדה של ד"ר בן שלום גביש מקוטב חדש על ידי הדבקה של שתי שכבות זהות – כאשר כל שכבה היא בעובי אטום בודד. לעומת הגבישים הסימטריים שגדלים בטבע בהם כל שכבה חדשה מסתובבת כדי למקם אטומים מסוג אחד בדיוק מעל לאטומים מסוג שני, החוקרים הדביקו את זוג השכבות ללא הסיבוב – וכך גרמו להחלקה זעירה בין השכבות ששוברת את הסימטריה, גורמת לדילוג של האלקטרונים משכבה אחת לאחרת, ויוצרת קיטוב חשמלי פנימי. בשלב שני גילו החוקרים שאפשר להחליק בין השכבות קדימה ואחורה וכך למתג את הקיטוב החשמלי באמצעות שדה חשמלי חיצוני (ראו איור). לתופעה הם קראו SlideTronics, "החלקטרוניקה".

ד"ר בן שלום מוסיף: "הגביש המקוטב החדש שגילינו, בעובי שני אטומים בלבד, הוא הדק ביותר האפשרי ועשוי לשמש בטכנולוגיות מידע מבוססות מנהור קוואנטי. אנו מפתחים יחידות מנהור כאלו בחברת Slide-Tro LTD שהוקמה ע"י האוניברסיטה ומשקיע חיצוני ופועלת כעת מתחת לרדאר, ומאמינים כי התופעה מאפשרת בסיס רחב להתקנים אלקטרוניים חדשניים החל מפתרונות להפחתת הספק ועד ליחידות זיכרון משופרות. בהיבטי מחקר יסודי, התגלית העלתה בנו מייד שאלות חדשות: איך יסתדר המטען? ומה יהיה גודל הקיטוב? אם נדביק שכבות נוספות למערכת בצורה שתשבור או תשמור את הסימטריה?". "במילים אחרות, במקום לרדד את עובי המערכת על ידי איכול שכבות מהגביש, כפי שנעשה עד כה, יכולנו כעת לערום גבישים מקוטבים שכבה אחר שכבה זו מעל זו ובו בזמן למדוד את גודל הקיטוב והפוטנציאל החשמלי שנוצר בכל שלב בסולם השכבות".

בניסוי הנוכחי הצליחו החוקרים להשוות אזורים סמוכים בעלי מספר שכבות שונה שנערמו יחד עם החלקות בכיוונים שונים היוצרים קיטובים בגדלים שונים. לדוגמה, עבור ארבע שכבות (ושלושה משטחי מגע מקוטבים) יש ארבע אפשרויות לסדר את כיוון שלושת הקיטובים: כולם מצביעים למעלה ↑↑↑, שניים למעלה ואחד למטה  ↑↑↓, אחד למעלה ושניים למטה ↑↓↓ או שלושה למטה ↓↓↓.

"לשמחתנו גילינו סולם של קיטובים מוגדרים היטב המופרדים ביניהם בערכי קיטוב אחידים, כך שכל שלב בסולם יכול לשמש כיחידת מידע נפרדת", אומר נועם ראב, סטודנט המחקר שמדד את הגבישים. "זוהי כאמור תגובה שונה מאוד מזו של הגבישים המוכרים עד כה, שבהם תגובת פני השטח לקיטוב היא משמעותית והחלפת הקיטוב אפשרית כיחידה אחת בלבד – כלומר שינוי הקיטוב בשכבה אחת משנה את מטען השכבות כולן". דר. סווארופ דב, כותב מוביל במאמר, מדגיש: "הצלחנו גם לטעון את השכבות באלקטרון נוסף לכל מאה אטומים בערך ולשפר בכך משמעותית את הולכת הגבישים במישור מבלי לפגוע בקיטוב הניצב". תוך הסתייעות בחישובים תיאורטיים על סמך עקרונות היסוד של המכניקה הקוואנטית, גילינו שאפשר לתכנן ולבנות צירופי גבישים שכבתיים נוספים באמצעות החלקה יחסית בין השכבות, וכי המידע אודות הקיטוב והסימטריה של המערכת נותר כלוא בין השכבות ומוגן מהסביבה," אומר דר. וואי כאו כותב ראשי נוסף שערך את החישובים. "למעשה ה'החלקטרוניקה' עזרה לנו לגלות את סולם הקיטובים הדק ביותר שאפשר לבנות" מסכם דר. בן שלום. "המשך מתבקש למחקר עתידי הוא תמרון סדרים אלקטרוניים נוספים, כגון קיטוב מגנטי ומוליכות-על באמצעות החלקות דומות בין סימטריות גבישיות שונות".

The DOI number of the paper will be 10.1038/s41586-022-05341-5.

Once it has been published online, November 9^th 16:00 London local time, it will be available at:

הפוסט שלבים אטומיים בסולם החשמלי הדק בטבע הופיע לראשונה ב-Chiportal.

הברגת אור לתוך חור ננומטרי בצורת "בייגלה" וחריצים ספיראליים על פני שכבת זהב – בורג ננומטרי אופטי. מימין- הברגת האור לתוך החור, משמאל- תמונות מיקרוסקופ אלקטרוני של הבורג האופטי הננומטרי.
חוקרי הטכניון, פרופ' ארז חסמן, דר' ולדימיר קליינר, יורי גורודצקי, ניר שטרית, ואיתי ברטנר, מהמעבדה למיקרו וננואופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות ומכון ראסל ברי למחקר בננו טכנולוגיה, הצליחו "להבריג" אור ולהחדירו לחור ננומטרי בקוטר של אלפית השערה. הדבר פורסם בכתב העת המדעי Nano Letters והוגדר על ידי עורך כתב העת המדעי היוקרתי Nature Materials כפריצת דרך עם תוצאות מבטיחות מאוד ליישום במימוש רכיבים אופטיים בסקאלת הננומטר.
כמו כן עבודת המחקר נבחרה על ידי איגוד האופטיקה האמריקאי כאחד המחקרים החשובים בננואופטיקה לשנת 2009. החוקרים מקווים כי יהיה לכך שימוש במחשבים בתקשורת ובצגים ובעתיד יהיה ניתן, הודות לכך, להקטין את הרכיבים עד לסקאלת ננו ולשפר באופן ניכר את ביצועי המחשבים.
"עד שנת 1998 היה ידוע שאור לא עובר דרך חור כה זעיר, שקטן בהרבה מאורך גל", אומר פרופסור ארז חסמן. "בשנת 1998 נכתב מאמר פורץ דרך על ידי פרופסור תומס אבסן מאוניברסיטת שטרסבורג, שהראה כי בתנאים מסוימים, יכול האור לעבור גם דרך חור זעיר כל כך. במעבדה למיקרו וננו אופטיקה יצרנו חור קטן, בצורת 'בייגלה', על שכבה דקה של זהב. מימשנו זאת באמצעות קרן יונים ממוקדת. סביב החור יצרנו 'חריצים ספיראליים', בדומה להברגה של בורג. דרך החור שלחנו אור, ונתנו לו ספין, מעין 'סיחרור'. כאשר כיוון הסיחרור התאים להברגה שיצרנו בחור – האור חדר דרכו. עבור אור בספין שלא התאים להברגה האור לא עבר." זו הפעם הראשונה שבה הוכח כי ניתן לשלוט באור העובר דרך חור ננומטרי בעזרת הספין שלו והדבר יאפשר בעתיד לבצע רכיבים לוגיים באור ברמת הננו, כאשר הרכיב הלוגי מבוקר על ידי הספין של האור.

מערך של ברגים אופטיים ננומטריים בכיווני הברגה שונים המאפשרים לשלוט על האור שעובר. מימין – תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני של מערך הברגים הננומטריים האופטיים, משמאל – הארת מערך הברגים באור עם סיחרור בכיוונים שונים: יצירת המילה ספין בהארה בסיחרור נגד כיוון השעון, והתמונה המשלימה להארה עם כיוון השעון.
בסוף שנת 2008 הצליחו פרופסור חסמן וצוותו לפתח דרך חדשה לשליטה באור בקנה מידה ננומטרי באמצעות 'סיחרורו' (כפי ש"מסובבים" כדור טניס או פינג פונג). "יצירתו של כוח צדי על מוצק גלילי או כדורי מסתובב השקוע בנוזל (או גז) כשיש תנועה יחסית בין הגוף המסתובב לנוזל – קרויה אפקט מגנוס (Magnus effect)", מסביר פרופסור חסמן.
"הפיסיקאי הגרמני היינריך מגנוס תיאר לראשונה את האפקט ב-1853. במשחקי כדור רבים אחראי אפקט מגנוס לתנועת המסלול של כדור מסתובב (למשל, שחקן כדורגל, טניס או פינג פונג אשר 'מסובב' את הכדור). אפקט מגנוס משפיע גם על מסלולם של טילים מסתובבים, ומשפיע על תעופת כלי טייס מסוימים. לגלים אלקטרומגנטיים המתנהגים גם כחלקיקים נטולי מסה הנקראים פוטונים, יש תכונה פנימית – 'סיחרור' של הפוטונים (ספין). הספין, שהוא התנע הזוויתי הפנימי של הפוטונים, תלוי בכיוון הקיטוב המעגלי של האור.
חוקרי הטכניון דווחו במאמרם משנת 2008 על תיאוריה מאוחדת בנושא ולראשונה על תצפית ניסיונית ישירה בסטייה תלוית-ספין – אפקט מגנוס בפוטונים. אפקט מגנוס לאור (הנקרא גם spin Hall effect), גורם לאור לסטות בשל האינטראקציה בין הספין של הפוטונים לצורת מסלולו. ההשלכות האפשריות של עבודתם נרחבות מאוד. "יישום האפקט הזה באמצעים פוטוניים וננו-אופטיים עשוי להוביל לפיתוחו של תחום מחקר חדש – ספינאופטיקה", אומר פרופ' חסמן. "אנו מקווים כי נצליח לשלוט באור בקנה מידה ננומטרי, בדרכים שלא היו אפשריות עד כה".
פריצת הדרך הנוכחית היא המשך ישיר של אותו מחקר.

הפוסט חוקרי הטכניון הצליחו "להבריג" אור ולהחדירו לחור ננומטרי הופיע לראשונה ב-Chiportal.