חוקרים באוניברסיטת תל אביב הצליחו להנדס את הטכנולוגיה הזעירה ביותר בעולם, בעובי שני אטומים בלבד. לטענת החוקרים הטכנולוגיה החדשה מציעה דרך לקודד מידע חשמלי לתוך היחידה הדקה ביותר המוכרת למדע היום, בגביש שהוא מהחזקים והיציבים ביותר בטבע. המשמעות של הגילוי עשויה להשפיע על כל טלפון ומחשב ברחבי העולם שיהפכו למהירים יותר, קטנים יותר ואפילו זולים יותר.
נתחיל בהסבר מדעי. נכון להיום ההתקנים המתקדמים ביותר עשויים מגבישים קטנטנים המכילים כמיליון אטומים בלבד, כך שאפשר למקם מיליון כמוהם כמיליון פעמים בשטח של מטבע אחד ולמתג כל אחד מההתקנים במהירות של כמיליון פעמים בשנייה. בעקבות פריצת הדרך הטכנולוגית, החוקרים הצליחו לראשונה, למזער משמעותית את עובי ההתקנים הגבישיים עד כדי שני אטומים בלבד.
המשמעות בפועל של הפיתוח הטכנולוגי. החוקרים מעריכים שהאפקט של הגילוי יגביר משמעותית את יעילות ומהירות העברת המידע במחשבים וגם את הרחבת קיבולת הזיכרון, הרבה מאפשר לאפשרויות הקיימות כיום. דבר שיכול גם להקטין את הטלפונים והמחשבים וגם להוזיל אותם.
החוקרים עסקו בחומר דו-ממדי, שכבה בעובי אטום בודד של אטומי בור וחנקן המסודרים במבנה משושה מחזורי. במהלך הניסוי החוקרים הצליחו לשבור את הסימטריה של גביש זה על ידי הרכבה מלאכותית של שתי שכבות כאלו. המחקר נערך בבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ובבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באונ' תל-אביב ע"י צוות חוקרים הכולל את 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. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי Science. ד"ר בן שלום מדגיש כי המבנה החדש מאפשר התקני זיכרון המתבססים על יכולת קוונטית של אלקטרונים לדלג ביעילות ובמהירות דרך מחסומים בעובי של מספר קטן של אטומים ולכן עשויה לאפשר ייעול משמעותי בהתקנים אלקטרוניים מבחינת צפיפות, מהירות וצריכת אנרגיה.
"הרקע למחקר הוא סקרנות אודות התנהגותם של אטומים ואלקטרונים בחומר, שהולידה לאורך ההיסטוריה רבות מהטכנולוגיות העוטפות את חיינו המודרניים", אומר ד"ר בן שלום. "אנו מנסים להבין, לחזות, ואף לשלוט בתכונות המרתקות של חלקיקים אלו כאשר הם מתמצקים אל מבנה מחזורי מסודר הנקרא גביש. בלב המחשב לדוגמה, יושב התקן גבישי זעיר שמטרתו לשלוט בתגובה כלשהיא בעלת שני מצבים לפחות - "כן" או "לא". ללא היכולת הדיכוטומית הזו – לא ניתן לקודד ולעבד מידע. האתגר הישומי הוא למצוא מנגנון שיאפשר מיתוג בהתקן קטן, מהיר וזול".
"בצורתו הטבעית והתלת ממדית 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. "במעבדה הצלחנו לערום את השכבות באופן מלאכותי בתצורה מקבילה הממקמת לכאורה אטומים מאותו סוג בחפיפה מלאה למרות הדחיה החזקה שבינהם. בפועל, הגביש מעדיף להחליק את אחת השכבות מעט ביחס לשניה כך שרק חצי מהאטומים של כל שכבה חופפים, אך אלו שחופפים הם מסוגים שונים, בעוד ששאר האטומים ניצבים מעל לחלל ריק - מרכז המשושה. על אף שמצב זה קצת פחות יציב מהסידור הטבעי, הסידור החדש מבחין היטב בין השכבות. לדוגמה, אם בשכבה העליונה האטומים החופפים הם רק מסוג בור, הרי שבשכבה התחתונה המצב הפוך".
שלושה מהחוקרים שהביאו לפריצת הדרך | צילום: אוניברסיטת ת"א
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. הקיטוב הנגדי שנוצר נותר יציב גם כשהפסקנו את השדה החיצוני, בדומה למערכות "פרו-אלקטריות" תלת מימדיות הנמצאות בשימוש רחב בטכנולוגיה עכשווית. אנו נרגשים לגלות מה יקרה במצבים אחרים שנכפה על הטבע, וחוזים כי אפשר יהיה ליצור צימודים חדשים בין דרגות חופש שונות. 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".
המחקר מומן בסיוע המועצה האירופאית למחקר ERC, הקרן הישראלית למדע ISF, ומשרד המדע MOST.