מהנדסים מדגימים את יכולתם של חומרים סופר-מהירים

מהנדסים מדגימים את יכולתם של חומרים סופר-מהירים
מאת ד"ר משה נחמני שלישי, 19 פברואר 2013 00:18

מבודדים טופולוגיים אורגנים המסוגלים להעביר מידע במהירות האור ואשר מורכבים משכבה מולקולארית דקיקה (משמאל) הדומה למעין תיל של גדר לולים תוך הולכת חשמל לאורך השפה הימנית של שכבה זו (הקו הכחול) – כאשר האלקטרונים יכולים לשאת מידע גם בצורת ספין "מטה" או "מעלה". תמונה באדיבות: Feng Liu ו- Zhengfei Wang, אוניברסיטת יוטה.

מהנדסים מאוניברסיטת יוטה הראו כי ניתן לייצר את החומרים האורגניים הראשונים אי-פעם המוליכים חשמל לאורך השפות שלהם, ויחד עם זאת מבודדים חשמל בחלק הפנימי שלהם. חומרים אלו, המכונים בשם "מבודדים טופולוגיים אורגניים", יוכלו להעביר מידע במהירות האור בתוך מחשבים קוונטיים ובתוך התקנים אלקטרוניים אחרים בעלי מהירויות העברה גבוהות.

המחקר פורסם בכתב-העת המדעיNature Communications והוא יביא לפיתוח תחום חדש של מחקר במדעי החומרים, וישפיע בדומה לאופן שבו חומרים אורגניים הפחיתו את העלות והקלו על הייצור של דיודות פולטות אור (לדים) ושל תאים סולאריים, טוען ואומר החוקר הראשי Feng Liu, שהוא פרופסור למדעי החומרים ולהנדסה באוניברסיטת יוטה.

"זוהי ההדגמה הראשונה אי-פעם בנוגע לאפשרות קיומם של מבודדים טופולוגיים המבוססים על חומרים אורגניים", אומר החוקר הראשי. "הממצאים שלנו ירחיבו את ההיקף ואת ההשפעה שיש לחומרים אלו במגוון יישומים, החל מספינטרוניקה וכלה במחשוב קוונטי".

בעוד שחוקרים אחרים עדיין נדרשים לסנתז הלכה למעשה את המבודדים הטופולוגיים האורגניים החדשים, החוקר הראשי מסביר כי מחקר קודם שבוצע ע"י צוות המחקר שלו "מראה כי ניתן לייצר ממשק בין שני סוגי שכבות לשם יצירת מבודדים טופולוגיים שבהם אלקטרונים נעים לאורך אותו הממשק."

צוות המחקר ערך חישובים תיאורטיים לשם חיזוי קיומם האפשרי של מבודדים טופולוגיים אורגניים המבוססים על מולקולות בעלות קשרי פחמן-פחמן וקשרי פחמן-מתכת, תרכובות המכונות בשם תרכובות אורגנומתכתיות. לשם כך, הצוות בדק כיצד אלקטרונים נעים לאורך השפות של תרכובת מסוג זה, שפות הנראות כעין יריעה של גדר לולים.

במבודדים טופולוגיים, החלקיקים הנעים בהם מתנהגים כאילו הם צרורות אור חסרות מסה או משקל המוליכים חשמל בעודם נעים במהירות עצומה לאורך פני השטח או השפות של החומר. אולם, כאשר חלקיקים נעים אלו חודרים לתוך החומר עצמו, המוליכות שלהם פוחתת לכדי מחצית מערכה המקורי. יתרה מכך, לחלקיקים אלו יש תכונה המכונה בשם ספין, או תנע זוויתי מסביב לציר החלקיק המתנהג כקוטב מגנטי. תכונה זו מספקת לחוקרים דרך נוספת להחדרת מידע לתוך חלקיק, מאחר וספין זה יכול להיות ממותג "מעלה" או "מטה". מנגנון כזה יוכל להיות שימושי עבור התקנים אלקטרוניים מבוססי-ספין (רכיבי ספינטרוניקה) המסוגלים לאחסן בתוכם מידע הן בצורת סוג המטען של האלקטרונים (חיובי או שלילי) והן בצורת סוג הספין שלהם (מעלה או מטה). "הצלחנו להדגים מערכת שבה ניתן לתפעל את הספין של האלקטרון כך שהוא יוכל להעביר מידע", מסביר החוקר הראשי. "תכונה זו היא בעלת יתרון לעומת רכיבי אלקטרוניקה רגילים מאחר והיא מהירה יותר ואין פה חשש ליצירת חום".

בתחילת השנה צוות המחקר גילה גם מבודד טופולוגי "הפיך" במערכת של תרכובות מבוססות ביסמוט שבהן ניתן לשלוט בהתנהגות של אלקטרונים בממשק שבין שתי שכבות דקיקות. למרות שמבודדים טופולוגיים אי-אורגניים המבוססים על חומרים שונים אכן נחקרו בעשור האחרון, הדבר לא נעשה עבור מבודדים טופולוגיים אורגניים או מולקולאריים.

הידיעה על המחקר