מבט מקרוב על תופעת הקוונטים

המחקר בתחום טכנולוגיית הקוונטים נוצר בתוכו הבטחה לעידן חדש שלא חווינו כמותו, עם מחשבים מהירים, טיפולים רפואיים בלתי חודרניים ובטוחים יותר, ואולי אפילו טלפורטציה. פרופ' בינה קליסקי, פיזיקאית מהמכון לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים, מגלה וחוקרת תופעות קוונטיות שפעמים רבות נוגדות את האניטואיציה שלנו. היא בנתה מערכת דימות רגישה במיוחד שבוחנת ומתעדת התנהגות מגנטית. המערכת הייחודית הזו מספקת הצצה לתופעות קוונטיות, בתקווה לחולל מהפכה בפיתוח חומרים וננו- טכנולוגיות חדשות

כיצד לצפות במעברי פאזה קוונטיים

בחיי היומיום שלנו אנחנו עדים למעברי פאזה קלאסיים כגון מעברי הפאזה של מים מנוזל לגז (אדים) או למוצק (קרח). בעת המעבר אפשר לראות בועות גז בתוך הנוזל הרותח, או קרח מטפטף כאשר קוביות קרח נמסות במשקה. הסיבה למעברים אלה הוא טמפרטורה, מכיוון שמים מתאדים בחום של 100 מעלות וקרח נוצר ב 0 מעלות.

המונח מעבר פאזה קוונטי מתייחס לסוג אחר של מעברי פאזה שמעורר את סקרנותה של הקהילה המדעית. מעברים אלה, הנמצאים במרכזן של טכנולוגיות מבוססות קוונטים, מתרחשים בהשפעת מגוון תנאים פיזיים – למשל כוח מגנטי או לחץ – ומתקיימים אפילו בטמפרטורה של אפס מעלות (2730C-), למשל כאשר חומר עובר מפאזה מוליכת-על לפאזה בה הוא מבודד.

המעברים מלווים ב'בועות' מסתוריות בין הפאזות. הבועות הללו, שנקראות תנודות קוונטיות, נוצרות בעקבות עיקרון אי וודאות. עד כה, תנודות גדולות כל כך ואיטיות כל כך לא תועדו, למרות שהיו הוכחות עקיפות לקיומן.

כשקליסקי החליטה לבחון חומרים במהלך מעברי פאזה קוונטית, היא נזקקה למערכת בעלת רמת חישה רגישה ביותר, שתוכל לפעול בטמפרטורה מאוד נמוכה. "החלטנו להשתמש במערכת סריקה מבוססת SQUID (Superconducting quantum interference device). המערכת שבנינו סורקת את הדגמים וממפה את התכונות האלקטרוניות והמגנטיות. המכשיר מתאים לסוג זה של מדידות ומאפשר לנו לערוך ניסויים מרתקים. החיישן עצמו מבוסס על תכונות קוונטיות והוא ממיר אותות מגנטיים למתח חשמלי, וכך יוצר מפה של הזרמים במעגלים חשמליים זעירים או בננו-חומרים," מסבירה קליסקי.

מכשיר זה אידיאלי לבחינת מגוון תופעות ננומטריות חשמליות מורכבות בזכות רגישותו הרבה לאותות חשמליים, ועקב כך שהוא אינו מצריך חיבור פיזי לדגמים הנמדדים.

דימות בועות קוונטית

בניסוי שנערך לפני כשנה צוות המעבדה הצליח לדמות תנודות קוונטיות באמצעות שימוש ב-SQUID. הניסוי, שפורסם ב  Nature Physics באוגוסט 2018, בוצע על ידי הדוקטורנטית אנה קרמן, שערכה מדידות SQUID סורק לזיהוי פאזות שונות בחומר. בטמפרטורה של כמעט אפס מעלות, על הדוגמה הופעלו תנאים סביבתיים שאיפשרו את מעבר הפאזה, בו בזמן שמיקרוסקופ ה-SQUID הפיק תמונות של התהליך כולו. להפתעת החוקרים הם הצליחו לראות בועות קוונטיות, שהופיעו במיקומים אקראיים, נדלקות ונכבות לפרקים.

"התמונות אפשרו לנו לחלץ גדלים פיזיקליים, מידות, דינמיקה, התפלגות, ואינטראקציות עם תופעות אחרות. גילינו שתוחלת החיים של הבועות, והגודל המרחבי שלהן ארוכים מהמצופה" מציינת קליסקי.

היכולת של ה-SQUID הסורק לצפות בתנודות קוונטיות סוללת את הדרך לבדיקות מפורטות יותר של אירועים קוונטיים. סורק זה יוכל לשמש ככלי משמעותי לקידום טכנולוגיות קוונטיות עתידיות.

חשיפת מפות של מצבים אלקטרוניים יוכל לקדם ננוטכנולוגיות עתידיות

כבר כמה שנים שקליסקי חוקרת מוליכות חשמלית המתפתחת בממשק בין תחמוצות בלתי מוליכות. היא מתמקדת ב LAO/STO –סנדביץ' סינתטי של שני חומרים, אשר גודל ברמת דיוק אטומית. אף אחד משני החומרים הללו אינם מגנטיים או מוליכים. אולם במפתיע, תכונות חשמליות ומגנטיות  התפתחו בממשק בין שני החומרים, וחלקן ניתנות לשליטה באמצעות כוח מכאני (Nano letters 2012). "כשמיפינו את ההתפלגות המרחבית של הזרם בדגם ואת התכונות המגנטיות שלו, גילינו ששניהם הושפעו מהמבנה הגבישי של ה-strontium titanate (STO). תמונת הזרם הראתה כי הזרם הוגבר לאורך פסים שונים, בדומה מאוד למבנה הגבישי של ה- STO (Nature Materials 2013). מצאנו שהגורם לקווי זרם אלו הוא הקוטביות הקיימת בקירות בין דומיינים שונים חומר, והראנו שבאמצעות הפעלת מעט כוח, מקומי וקל, ניתן לכוון את הקוטביות ( Nature Materials 2017 )". בניסוי שנערך לאחרונה על ידי הדוקטורנט יפתח פרנקל, הצוות גילה סוג מגנטיות שניתן לשלוט במיקום שלו,ופירסם זאת ב Nature Physics 2019. היכולת לשלוט בזרימה ולשנות תכונות חשמליות ומגנטיות של מעגל חשמלי לאחר פבריקציה, מהווה פוטנציאל לשיפור ושדרוג אלקטרוניקה קיימת וליצירת מכשירים אלקטרוניים עתידיים.

קליסקי תרה במחקריה אחר תופעות קוונטיות נדירות ומתכוונת להמשיך לחקור שינויים מרחביים שנוצרים ליד מעברי פאזה. באמצעות קידום המדע והטכנולוגיה והאצת הפיתוח של מחשבים קוונטיים, קליסקי מקווה שהגילויים שלה ישפרו את חיי היומיום של כולנו.

לכתבות נוספות...