ב-1959 העלה הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן בהרצאה מפורסמת שאלה שהפכה עם השנים לאחת ממטרות העל של מדע החומרים: "מה היה קורה אילו יכולנו לסדר את האטומים אחד-אחד, בדיוק כפי שאנחנו רוצים?"
67 שנים לאחר מכן, צוות חוקרים בראשות יוליאן קליין (Klein) מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) וממעבדות אוק רידג' (Oak Ridge) בארצות הברית הצליח להתקרב אל החזון הזה יותר מאי פעם. החוקרים השתמשו באלומת אלקטרונים ממוקדת כדי להזיז כ-40 אלף אטומים של היסוד כרום, בזה אחר זה, אל מיקומים שנבחרו מראש בתוך גביש.
התוצאה: מבנה אטומי מתוכנן ושלם, שנשאר יציב גם בטמפרטורת החדר וגם לאחר שהוצא מהמיקרוסקופ שבו נוצר.
מהפכת האטומים הקטנה
הדרך להישג הזה החל כבר לפני יותר משלושה עשורים. בשנת 1990 הצליחו החוקרים דונלד אייגלר (Eigler) וארהארד שוויצר ( Schweizer) מ-IBM לבצע פעולה שנחשבה עד אז לבלתי אפשרית: הם השתמשו במכשיר שנקרא מיקרוסקופ סריקה במנהור (STM), המבוסס על מחט בעלת חוד שיכול להגיע לעובי של אטום יחיד, והזיזו באמצעותו 35 אטומי קסנון על פני משטח ניקל. החוקרים סידרו את האטומים בצורת הלוגו של החברה, ושלוש האותיות “IBM” שנוצרו מאטומים בודדים נחשבים עד היום לרגע מכונן בתולדות הננו-טכנולוגיה.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
כתב סתרים עם כורכום
ניקוי יסודי למערכת החיסון
הפיזיקה והכימיה של האודיסאה
בשנים שלאחר מכן פותחו שיטות נוספות לשליטה באטומים. במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), למשל, מחט פיזית “מרגישה” את האטומים שעל פני השטח ויכולה להזיז אותם. שיטות אחרות השתמשו באלומות אלקטרונים כדי להרחיק או לשנות את מיקומם של אטומים בודדים. אלא שלכל השיטות האלו הייתה מגבלה משמעותית: הן אפשרו טיפול בכמה עשרות אטומים בלבד, בדרך כלל על משטחים דו-ממדיים, ובקצב איטי של אטום אחד בכל פעם. יצירה של מבנים תלת-ממדיים הכוללים אלפי אטומים בסדר מתוכנן נשארה עד כה מחוץ להישג היד.
שלוש האותיות "IBM" שנוצרו מאטומים בודדים נחשבים עד היום לרגע מכונן בתולדות הננו-טכנולוגיה. הלוגו שיצרו חוקרים כבר ב-1990
(צילום: AP)
פגם שהוא יתרון
כדי להבין את משמעות המחקר החדש צריך לחזור לרעיון הבסיסי של גביש: גביש הוא מבנה שבו אטומים מסודרים בתבנית קבועה, בדומה לכיסאות המסודרים בשורות באולם קולנוע. כאשר מזיזים כיסא ממקומו, נוצר "פגם" – מקום ריק שבו היה הכיסא הקודם, ומיקום חדש שבו הוא נמצא.
בעולם החומרים פגמים אטומיים אינם בהכרח תקלה – להפך, הם יכולים להיות משאב יקר ערך. פגם במיקום הנכון עשוי להפוך חומר מבודד למוליך חשמל, או לגרום לו לפלוט אור בצבע מסוים ומבוקר. האתגר הגדול תמיד היה ליצור את הפגמים האלה בדיוק במיקום ובסדר הנכון, ובהיקף משמעותי. עד למחקר הנוכחי הדבר לא היה אפשרי.
גביש בתוך גביש
במחקר החדש, שפורסם בכתב העת המדעי Nature, בחרו החוקרים חומר ייחודי: מוליך-למחצה מגנטי בשם CrSBr (כרום-גופרית-ברום), שבנוי משכבות דקות המונחות זו על גבי זו. אל החומר הזה כיוונו אלומת אלקטרונים של מיקרוסקופ אלקטרוני סורק חודר (STEM), שהעניקה להם רמת דיוק יוצאת דופן: עשרים פיקומטר – בערך עשירית מקוטרו של אטום בודד. ברמת דיוק כזו הם יכלו לבחור אטומי כרום מסוימים ולהסיט אותם בעדינות אל מיקומים חדשים בתוך הגביש.
כל הזזה כזו יצרה זוג פגמים: מקום פנוי שבו היה האטום קודם לכן, ומקום חדש שבו הוא ממוקם עכשיו. בניגוד לפגמים אקראיים שנוצרים בדרך כלל כחומרים, כאן עשרות אלפי הזוגות הסתדרו בתבנית מתוכננת מראש. כך נוצר למעשה “גביש בתוך גביש” – מערך חדש של פגמים שמסודר בדפוס קבוע ומתפקד כיחידה אופטית עצמאית בתוך החומר.
ההישג המשמעותי ביותר במחקר הוא יצירה של מבנה יציב. בניסויים קודמים הצליחו מדענים להזיז אטומים בודדים, אבל המבנים שנוצרו התפרקו ברגע שהמדגם יצא מהמיקרוסקופ או התחמם לטמפרטורת החדר. במקרה הזה, לעומת זאת, הפגמים התחברו ליצירת “גביש מלאכותי” שלם – מעין מצב חדש של חומר שנשאר יציב גם בתנאים רגילים. החישובים שביצעו החוקרים מוכיחים שהפגמים מקיימים ביניהם אינטראקציות קוונטיות חדשות, ולכן הם עשויים לשמש בעתיד בסיס לבניית שבבים קוונטיים הניתנים לתכנות ברמת האטום הבודד.
בחרו אטומי כרום מסוימים והסיטו אותם בעדינות אל מיקומים חדשים בתוך הגביש. אנימציה שמראה את תזוזת האטומים
(איור: Courtesy of the researchers)
הדרך למחשב קוונטי
עבור תחום המחשוב הקוונטי מדובר באפשרות חדשה. כיום הקיוביטים – יחידות המידע הבסיסיות של מחשבים קוונטיים – נבנים בעיקר בשתי דרכים: באמצעות אטומים ניטרליים ומבודדים הלכודים על ידי "מלקחיים אופטיות" המבוססות על קרני לייזר, או באמצעות הדפסת מעגלים חשמליים זעירים ורגישים המיוצרים בליתוגרפיה על גבי שבבים, כמו במקרה של קיוביטים על-מוליכים. השיטה החדשה מציעה דרך שלישית: "לגלף" את הקיוביטים ישירות בתוך גביש מוצק, כך שהמבנה שלהם יישמר באופן טבעי. אם יהיה אפשר להרחיב את התהליך לקנה מידה גדול יותר, הוא עשוי להפוך לצעד משמעותי בדרך ליצירת מחשבים קוונטיים מעשיים.
למרות ההישג המרשים, החוקרים מדגישים שהדרך ליישום תעשייתי עדיין ארוכה. המבנה שנוצר במחקר קטן מאוד: נפח של 150 על 100 על 13 ננומטרים בלבד – כלומר, כטריליונית מנפחו של גרגר חול. המעבר מהוכחת התכנות במעבדה למערכת שימושית בתעשייה הוא בדרך כלל תהליך ממושך, שלעיתים נמשך עשרות שנים. גם במקרה זה, עדיין רחוק היום שבו אפשר יהיה לסדר אטומים באופן חופשי ולבנות מהם מכשירים מורכבים בקנה מידה גדול.
עם זאת, מחסום מדעי בסיסי כבר נפרץ: היכולת לסדר אטומים בכוונה, באותו סדר, ובאופן שחוזר על עצמו שוב ושוב. החזון של פיינמן עדיין אינו נמצא על מדף החנות – אבל הוא בהחלט עשה צעד גדול בדרך אליו.
דניאל חייקלסון, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
