למעלה: אור משכבה אטומית המפרידה בין הספינים של פוטונים הנפלטים ממוליך למחצה דו-מימדי. איור: Scholardesigner co.
חוקרים בטכניון פיתחו מקור אור חדש המבוסס על שכבה אטומית בודדת. הפיתוח התפרסם במאמר שהופיע בכתב העת המדעי Nature Nanotechnology. התגלית מבוססת על אינטראקציה של שכבה אטומית בודדת עם מערכי ננו-אנטנות על שבב סיליקון תוך יצירת פגמים בגבישים פוטוניים. היא מאפשר שליטה בספין של הפוטונים הנפלטים בחומר דו-ממדי, וסוללת דרך לפיתוח התקנים פוטוניים חדשים המבוססים על "ספינאופטיקה בסקאלה אטומית".
המחקר נערך בקבוצה של פרופ' ארז חסמן, ראש המעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית, ביחד עם פרופ' אלעד קורן, ראש המעבדה לננו-חומרים אלקטרוניים וננו-רכיבים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים. הוא בוצע והובל על ידי ד"ר קישו רונג (Dr. Kexiu Rong) וד"ר בו וונג (Dr. Bo Wang) בשיתוף ד"ר אלחנן מגיד, ד"ר ולדימיר קליינר, אבי ראובן, בר כהן ושאול כצנלסון.
מהם חומרים דו-מימדיים?
לדברי פרופ' קורן, "בשנת 2004 נבחנה לראשונה האפשרות ליצירת שכבה אטומית בודדת כשהפיזיקאים אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלוב, לימים חתני פרס נובל בפיזיקה (2010), פיתחו שיטה פשוטה ליצירת שכבות בודדות של אטומי פחמן. הם הצמידו נייר דבק לפיסת גרפיט וקילפו את החומר שכבה אחר שכבה עד להשגת שכבת אטומים בודדת המכונה גרפן. הם הראו ששכבת החומר האטומית שונה מאוד בתכונותיה מתכונותיו של החומר בצורתו התלת-ממדית. זהו חומר חזק פי מאה מפלדה ועם תכונות חשמליות יוצאות דופן. על-פי ההערכות הוא צפוי לחולל מהפכה במוליכים ובמוליכים-למחצה, בצגים ובמסכים, בתאים סולריים ועוד".
פרופ' חסמן הסביר: "בעקבות גילוי הגרפן התגלו ונחקרו חומרים דו-ממדיים רבים כגון מוליכים למחצה שונים שמאפשרים לקבל גם תכונות אופטיות מעניינות. שבבים אלקטרוניים סטנדרטיים מבוססים על סיליקון, המגביל מאוד את פיתוח הדור הבא של המחשבים, המחייב שילוב של אלקטרוניקה ופוטוניקה. זאת בין השאר בשל חסרונו של מצב חיוני הקרוי 'פער אנרגיה ישיר' בסיליקון. להפתעתנו, במוליכים-למחצה דו-ממדיים התגלה אותו פער אנרגיה ישיר, המאפשר לשלב פוטוניקה ואלקטרוניקה בסדרי גודל ננומטריים, לייצר בעזרתם התקנים פוטוניים אקטיביים ולסלול דרך לדור הבא של השבבים".
אלקטרוניקה מסוג חדש
כדי למזער את השבב האלקטרוני ולהגדיל באופן משמעותי את מהירות העיבוד ואת קצב העברת האינפורמציה, הגישה המקובלת כיום היא ספינטרוניקה – ביצוע פעולות על הספין, אחת מתכונותיו החשובות של האלקטרון, ולא על זרם האלקטרונים. לפני כמה שנים ייסד פרופ' ארז חסמן מהטכניון תחום חדש בשם ספינאופטיקה, המאפשר לנצל את הספין של הפוטונים באמצעות מטא-משטחים לטובת העברה ועיבוד אינפורמציה בשבבים פוטוניים. העברת האינפורמציה מבוססת על שליטה בספין הפוטוני בעזרת ננופוטוניקה – אופטיקה בסקאלת הננומטר.
מוליכים למחצה דו-ממדיים, מאופיינים ברמות אנרגיה שהפליטה מהם תלוית ספין (Spin valleys). החוקרים בטכניון החליטו לנצל את התכונה הזאת ולצמד שכבה אטומית בודדת של טאנגסטן סלנייד לננו אנטנות המאפשרות לקבל מקור אור והתקנים פוטוניים אחרים באמצעות תוך שליטה ועיבוד אינפורמציה ברמת הספין הפוטוני. הם הצליחו לייצר מקור אור משכבה אטומית בודדת המפרידה וממיינת בין הספינים של הפוטונים הנפלטים מהמוליך למחצה הדו-ממדי. תגלית מדעית זאת תאפשר לשלב בין ספינטרוניקה וספינאופטיקה ולפתח התקנים מסוג חדש בקנה מידה אטומי.
