בשנת 2012 פורסם בכתב העת Nature Nanotechnology כי פיזיקאים אוסטרלים ואמריקנים פיתחו את טרנזיסטור הסיליקון הקטן ביותר בעולם, המורכב מאטום בודד של זרחן בתוך לוח סיליקון. הפיתוח היווה נדבך נוסף במאמצים המתמשכים למזעור טרנזיסטורים, שמהווים רכיב בסיסי וחיוני מאוד בתעשיית האלקטרוניקה.
החוקרים ציינו אז כי השתמשו במיקרוסקופ מינהור סורק (שבעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית) כדי למקם את אטום הזרחן הבודד על לוח סיליקון, בין אלקטרודות, וראו שנוצר זרם חשמלי. עד אז יוצרו טרנזיסטורים על בסיס אטום בודד רק במקרה, בעוד שבמחקר מ-2012 הדבר נעשה לראשונה באופן מתוכנן. בחודש מאי השנה היו אלה חוקרים מהמכון הטכנולוגי האמריקאי NIST ועמיתיהם מאוניברסיטת מרילנד, שעבדו על ניסוי דומה לגביו צוין ב-Science daily כי "מדובר בצוות השני בעולם שמצליח לבנות טרנזיסטור מאטום יחיד".

איור מתוך המחקראיור מתוך המחקר
איור מתוך המחקר
(צילום: מתוך המחקר)
טרנזיסטור הסיליקון הוא מתג או שסתום אלקטרוני, המאפשר לממש התקנים לוגיים המהווים החל משנות ה-60 את עמוד התווך של מהפכת המידע. הטרנזיסטור הוא מתג חשמלי העשוי מחומר מוליך למחצה, שמייצר את הבסיס הבינארי למכשירי אלקטרוניקה. המתג מגדיר את הספרות הבינאריות 0 ו-1 על ידי שתי רמות של מתח - מתח גבוה ומתח נמוך. התקנים אלה הולכים ונעשים קטנים, ובשנים האחרונות הגיעו לממדים של עד כ-10 ננומטר. ממדים אלה מאפשרים לצופף מאות מיליוני התקנים על גבי שבב יחיד, ולהביא לכף ידו של כל אחד עצמת חישוב שנחשבה לדמיונית בדורות הקודמים.
מעבר לכך, טרנזיסטורים המורכבים מאטומים בודדים צפויים להיות אבני הבניין של דור חדש של המחשבים הקוונטיים, עם זיכרון וכוח עיבוד שאין שני להם. למה חשוב כל כך כיום להוסיף ולמזער את הטרנזיסטורים? ככל שהטרנזיסטור קטן, ניתן לממש שליטה מהירה יותר במידע, ולצופף יותר התקנים בנפח נתון.
"במחקרי העבר הצליחו פיזיקאים לממש אלקטרוניקה על בסיס של אטום יחיד, אבל מדובר באטום שנמצא על פני השטח. במרוצת השנים החוקרים לא פתרו את הבעיה העיקרית - האטום הוא על פני השטח, ולכן פגיע לסביבה שלו", מסביר פרופ׳ הדר שטיינברג, שבימים אלה עובד יחד עם חוקרים ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית בירושלים על טרנזיסטור הבנוי מאטום אחד, שמוזער לגודל הקטן ביותר הידוע למדע. "להבדיל מהמחקרים הקודמים, במחקר שלנו, במערכת החדשה שיצרנו בטרנזיסטור הבנוי מאטום אחד, ההולכה החשמלית מתאפשרת דרך פגם שמשובץ בתוך מבודד. המערכת הזאת יציבה מאוד ופחות פגיעה. חשוב מאוד להדגיש שהמטרה שלנו היא לא מי יגיע קודם לטרנזיסטור עובד מאטום אחד, אלא גם לתרום ולחדש למדע, להגיע ליכולות שלא היו קיימות קודם. בהתקן שלנו, מדובר בטרנזיסטור הבנוי אטום אחד שנמצא ננומטר אחד בלבד מהמוליכים בסביבה שלו".
פרופ' הדר שטיינברגפרופ' הדר שטיינברג
פרופ' הדר שטיינברג
(צילום: יואב דודקביץ')
וכך, בניסוי שבוצע לאחרונה בהובלת פרופ׳ הדר שטיינברג ובסיוע הדוקטורנט איתי קרן – שניהם ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית בירושלים, שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Nature Communications, הצליחו החוקרים לממש טרנזיסטור הבנוי אטום יחיד על ידי שימוש באלקטרודה מהמוליך החשמלי הדק ביותר המוכר למדע - חומר הנקרא גרפין. גרפין הוא שכבה יחידה של גרפיט, שהוא תצורה של פחמן נקי, הבנויה במבנה שכבתי. כל שכבת גרפין הוא יריעת אטומי פחמן בעלת מבנה של חלת דבש.
לגרפין שתי תכונות מרכזיות המאפשרות לממש באמצעותו אלקטרוניקה של אטומים יחידים. מצד אחד, הוא מוליך חשמלי מצוין. מצד שני, כתוצאה מעוביו המזערי, הוא מאפשר מעבר של שדה חשמלי. כך, שלא כמו בשכבת מתכת, מתח חשמלי המופעל מצדה האחד של יריעת גרפין ״יחלחל״ לצדה השני.
החוקרים השתמשו בשיטה המבוססת על בניית התקנים מחומרים שכבתיים. שיטה זו משמשת כיום מעבדות מחקר שונות בעולם, והיא מאפשרת לקלף חומר שכבתי לעובי של אטום יחיד, ולמקם מספר שכבות זו על גבי זו – כפי שמניחים, למשל ערימה של דפי ניר או קלפים. החוקרים בנו התקן חשמלי שבליבו שכבה דקה מאוד, בעובי של שני ננומטרים בלבד, של חומר מבודד שכבתי. מצידו האחד של המבודד הם הניחו גרפיט, ומצדו השני - גרפין. במדידה חשמלית הם גילו שהזרם יוצא מהגרפיט, מדלג דרך אטום יחיד בשכבה המבודדת, ומגיע לגרפין. על ידי הפעלת מתח חשמלי מצידו השני של הגרפין, הצליחו החוקרים להדליק ולכבות את הזרם, ולהראות שהזרם נישא על ידי אטום יחיד. "בגלל השימוש בגרפין, מתאפשר הפעלת שדה חשמלי דרך האלקטרודה, ולא במקביל אליה. כך מגיעים לגבול חדש ביכולות המזעור", מסביר פרופ' שטיינברג.