המחקר הישראלי שיגדיר את הדור החדש של האלקטרוניקה

בני המאות ה-20 וה-21 מתייחסים לפעמים לחשמל כאל מעין משאב טבע. הוא מגיע אלינו דרך הקירות כמו המים, זמין כמעט כמו חמצן, ממש הושט יד ואל תיגע בו - זה הרי הדבר הראשון שאנחנו לומדים על חשמל: צריך להיזהר ממנו כמו מתופעת טבע מפחידה.

חשמל הוא אכן תופעת טבע, שנוצרת בכל פעם שאלקטרונים עוברים ממקום למקום - מברקים ועד חשמל סטטי, אולם האופן שבו בני אדם משתמשים בו משתנה באופן דרסטי. ד"ר בינה קליסקי, שהקימה בשנים האחרונות מעבדה חדשה באוניברסיטת בר-אילן, לאחר שהייה של כמה שנים בסטנפורד, עשויה לשנות את האופן שבו זורם החשמל במכשירים וליצור דור חדש של אלקטרוניקה - אולי טוב יותר, אולי רק שונה.

בעבר, בני אדם לקחו חומרים מהטבע שהיו מלכתחילה מוליכים, לדוגמה נחושת, ועיצבו מהם מכשירים בהתאם לצורכיהם. לעומת זאת, בעולם האלקטרוני של קליסקי בונים מבנים אטום אחרי אטום, כדי שהפעילות החשמלית תתרחש בהם לפי תוכנית ברורה מאוד.

קליסקי אינה הראשונה או היחידה שעושה מניפולציות על חומרים ברמת האטום כדי לייצר מעגלים חשמליים חדשים. רעיונות מהסוג הזה, שהגיעו ממעבדות המחקר המובילות בתחום מדע החומרים והפיזיקה התיאורטית, הובילו ליישומים משמעותיים מאוד בשנים האחרונות. "כל טלפון סלולרי מכיל מאות טכנולוגיות שלא היו יכולות להתפתח בלי המחקר המתקדם של פיזיקת החומרים מהעשורים האחרונים", היא אומרת.

אולם הרעיון שמפתחת קליסקי, וזיכה אותה בשני מאמרים בכתב העת Nature Materials, הוא ייחודי בכך שהוא מאפשר לא רק מזעור וייעול של המעגלים החשמליים, אלא גם שינוי של המעגל בעודו פועל. הגישה הזאת מקפיצה פי כמה וכמה את מספר הפונקציות שניתן לבצע באותו מכשיר. לדוגמה, מכשיר שתפקידו לשמש זיכרון יהפוך למכשיר מדידה, בלי צורך להחליף את הכרטיס. מעבר לכך, ניתן למזער את רכיבי הטלפון פי כמה וכמה, כי כל מעגל חשמלי יכול להחליף את התפקיד שלו בכל רגע, וכך לבצע כמה תפקידים לאורך היום. כמו כן, ניתן יהיה לבצע שינויים בחומרה של המכשיר, בלי באמת להחליף את החומרה שלו.

"אני לא מבטיחה שכל זה עומד לקרות", היא מזהירה, "וכיוון שאנחנו מעבדת מחקר לא נוכל ללוות את הגילוי הזה כל הדרך לפיתוח יישומי. אנחנו מתכוונים להגיע להוכחת היתכנות שזה אפשרי, ואז המשימה עוברת למהנדסים. ייתכן שהם יאמרו שהמשימה אפשרית לביצוע אבל לא משתלמת מבחינה כלכלית. ובכל זאת, אני מציגה כאן את החזון שלי ואת העקרונות הפיזיקליים שעליהם הוא מבוסס ואותם גילינו".

כששני חומרים משעממים נפגשים

הגילויים של קליסקי התאפשרו בזכות חיישן ייחודי של שדות מגנטיים שנקרא "הסקוויד (דיונון)הסורק" (SQUID הוא קיצור של Superconducting Quantum Interference Device). היא התמחתה בעבודה עם חיישן מסוג זה עוד בימיה בסטנפורד, אולם במעבדה בבר-אילן היא פיתחה עם הצוות שלה גרסאות חדשות ומשופרות שלו.

כדי להבין איך הוא עובד, ניתן לדמות אותו למצלמה, אלא שבמקום לפתוח צמצם ולקלוט את כל הפיקסלים במרחב, המצלמה הזאת עוברת מעל כל פיקסל בנפרד ומתעדת אותו. והכי חשוב - המדידה בכל פיקסל היא רגישה במיוחד. המצלמה היא רק דימוי, כי הסקוויד אינו קולט אור אלא מגנטיות. הוא יכול לקלוט שדות מגנטיים חלשים מאוד ולמקם אותם במרחב ברמה ננומטרית. "לא טריוויאלי לנהוג בדבר הזה, זה כמו לטוס מעל משטח ולנסות לא להתנגש בו", אומרת קליסקי, ומציגה מכשיר בגודל של פחית קולה בערך, המכיל שבבים שונים ויוצאים ממנו המון כבלים דקיקים. מכשיר שנראה כמו ניסוי מדעי לילדים הוא סורק מגנטי מהרגישים בעולם.

"אנחנו פיזיקאים יישומיים שחוקרים אלקטרונים. אנחנו בוחנים תופעות פיזיקליות שבהן אלקטרונים מדברים זה עם זה ופועלים תוך יצירת קשר זה עם זה, כך שכדי לתאר את ההתנהגות לא מספיק לדעת מה עושה אלקטרון אחד, חייבים לדעת מה כולם עושים. כשנבין את ההתנהגות נוכל להגיע למצב שבו אנחנו ממש שולטים במה שהם עושים כיחידים או בקבוצות", מסבירה קליסקי את הצורך במכשיר. "הדרך שבה החיישן שלנו מרגיש אלקטרונים קשורה לעובדה שלכל אלקטרון יש ספין, כלומר כיוון ומהירות סיבוב, והתנועה הזו יוצרת את השדה המגנטי הקטן ביותר בעולם. כאשר אלקטרון זז, הוא יוצר עוד שדה מגנטי, אבל צריך רגישות ממש טובה כדי לקלוט את השדות הללו".

באמצעות הדיונון הסורק (חדרה של קליסקי מלא בבובות דיונונים מסוגים שונים, מחווה לטכנולוגיה), חקר הצוות של קליסקי את תופעת ה-Emergence (התהוות), שנחשבת כיום חידה בעולם הפיזיקה - תופעה המתרחשת כאשר תכונה של חומר מופיעה באופן מפתיע ואי אפשר לנבא את הופעתה מרשימת היסודות שמרכיבים אותו לבדם, אלא מהחיבור ביניהם. "נניח שאנחנו לוקחים שני חומרים משעממים - לא מוליכים, לא מגנטיים - שמים אותם זה על זה, ופתאום בממשק ביניהם מתרחש קסם. פתאום הממשק הופך למוליך או אפילו למוליך-על, כלומר, רכיב שיכול להוליך זרם חשמלי בלי לאבד אנרגיה".

זה מה שקורה לדוגמה בחיבור בין פרובסקיטים, חומרים ייחודיים שנראים אותו דבר, אולם שינויים קטנים באטום אחד או שניים מובילים לכך שיהיו להם תכונות מאוד שונות מבחינת מגנטיות, מוליכות וכדומה. אפשר לדמות זאת לקוביות לגו - כולן זהות במבנה, אבל שונות בצבע. בגלל הדמיון במבנה, קל מאוד לבנות איתן. וזה באמת מה שעושים: מגדלים חומרים במבנה פרובסקיטי כדי לבנות מאפס חומרים שהשליטה בתכונות שלהם מאוד מדויקת. באמצעות בחירה נכונה של אבני הלגו ניתן להחליט לגבי כל "אבן לגו" מה בדיוק יהיו תכונות המבנה שנוצר.

יום אחד, כשפיזיקאים גידלו על מצע מסוים, שעשוי מחומר "משעמם", פרובסקיט נוסף, שגם הוא "משעמם", התגלו פתאום בממשק בין שני החומרים תכונות מפתיעות. נדרשו ארבע שכבות של החומר, כל אחת בגודל של אטום, כדי שהממשק בין הפרובסקיט למצע שלו יתחיל לעשות דברים מוזרים. "זה כמו קסם", אומרת קליסקי. "זה בכלל לא היה צפוי על-פי סוג החומרים שיוצרים את הממשק". הקסם לא קרה פעם אחת, אלא בכל מיני ממשקים בין פרובסקיטים שונים למצע, התרחשו תופעות מפתיעות שונות, ובמקביל, פותחו תיאוריות להסבר התופעה.

פוטנציאל ליישומים טכנולוגיים חדשים

קליסקי הבינה שהדיונון שלה הוא הכלי שיאפשר לבדוק מה קורה בממשק בין שני החומרים. "המכשיר שלנו הוא רגיש מספיק כדי למפות את ההתנהגות האלקטרונית גם בגדלים הקטנים הללו, של עשרות אלקטרונים בלבד, והוא גם מאפשר קריאה של מה שקבור בעומק החומר, כי שדה מגנטי אפשר לקרוא גם דרך השכבות".

ההתרגשות מכך שהאקשן קורה בממשק בין שני החומרים נובעת מכך שאפשר כעת להכין מוליך או מוליך-על שהוא מאוד מאוד דק?

"חומר דק הוא דבר רצוי בפני עצמו. אם מצליחים לייצר חומר דק מאוד מאוד שהוא עדיין מוליך, או עדיין משמר כל תכונה אחרת של החומר, זו פריצת דרך. והחומר הזה בהחלט יכול להיות דק. מספיקות כמה שכבות אטומיות כדי לקבל את התכונות. הדקיקות מאפשרת רמות חדשות של מזעור. אבל במקרה הזה התופעה מתרחשת לא סתם בחומר דק, אלא ממש בעולם דו-ממדי. היא מתרחשת בממשק בין שתי שכבות אטומים.

"כמו כן, ההתרגשות היא מעצם הופעת תופעות הללו בממשק בין שני חומרים 'משעממים', מהרעיון שהפיזיקה מתרחשת לא בחומר אלא בממשק. מדוע ואיך זה קורה. נוסף על כל אלה ישנה התרגשות מעצם הופעת חומר חדש, שיכול להוליך חשמל באופן יעיל. יש כאן פוטנציאל להרבה יישומים טכנולוגיים חדשים".

כשקליסקי יצאה לחקור את התופעה, אחת החידות הייתה כיצד יכולות מגנטיות ומוליכות-על להתקיים יחד, הרי מגנטיות מחייבת את כל האלקטרונים להיות עם ספין באותו כיוון, ואילו מוליכות-על מחייבת כל זוג אלקטרונים להיות עם ספין הפוך בדיוק. "גילינו באמצעות הסורק שלנו ששתי התכונות אמנם נמצאות יחד, אבל כנראה הפתרון הפשוט הוא הנכון - חלק מהאלקטרונים עסוקים בהתנהגות מגנטית, וחלקם משתתפים במוליכות-העל, כמו שמשקה 'ברד' הוא לא חומר שכולו בין קרח למים אלא חלקו קרח וחלקו מים", אומרת קליסקי. "בהמשך, גילינו משהו שהפתיע אותנו מאוד: ראינו שהאלקטרונים מתקדמים על גבי החומר בכיוונים שאינם אקראיים אלא בפסים מדויקים. לא רק זאת, גילינו שאפשר לשלוט בפסים הללו. הם נוצרים באופן טבעי בגלל המבנה הגבישי של המצע שעליו בונים את הפרובסקיט. במקומות שבהם יש שבר במבנה הגביש, שם יתחזק פס ההולכה".

- כלומר, התופעה מתרחשת בדו-ממד, בממשק שבין המצע לפרובסקיט, אבל היא תלויה במבנה התלת-ממדי של המצע.

"היא מתרחשת בדו-ממד אבל מושפעת מהמבנה הגבישי שלו, שאנחנו יכולים לשלוט בו".

פריצת הדרך האחרונה היא ההבנה מה גורם להופעת פסי ההולכה על המשטח. האפשרות לשנות את המיקום של הפס עשויה להביא ליישומים עתידיים. "אנחנו יכולים להשפיע על המיקום ועל המבנה של הפס הזה שבו עוברים האלקטרונים, באמצעות שדה חשמלי חיצוני או באמצעות לחץ פיזי באזור הפס. כך אנחנו יכולים בעיקרון לייצר את המעגלים החשמליים הדינמיים שהזכרנו בתחילת הכתבה. לדוגמה, אנחנו מתכננים להפוך קווי הולכה לשערים ושערים לקווים, וכל זאת כשהמכשיר פועל וקיים, בלי צורך בהכנת מעגל חשמלי חדש. רק בעוד עשור נדע אם הטכנולוגיה הזאת באמת ישימה, אבל ברמת המחקר הניסויי, זה אפשרי".

- מה עלול לגרום לכך שהגישה הזאת לא תהיה ישימה לטכנולוגיה?

"אם יש לי מכשיר קטן-קטן, אבל הרכיב לביצוע השינוי במעגלים החשמליים גדול מאוד, אז לא הועלתי הרבה במזעור, או שהחומר יהיה יקר מדי לייצור, שהעבודה איתו לא תשתלם. הדבר דומה במקצת לטכנולוגיית מוליכי-העל עצמה. היום ניתן לייצר מוליך-על, כלומר חומר שיכול להעביר זרם חשמלי בלי לאבד אנרגיה כלל, אבל זה פשוט לא משתלם. משתמשים בזה ב-MRI, כי שם זה מציל חיים, או ברכבת מרחפת כמו הרכבת המהירה מאוד ביפן, שנוסעת במהירות גבוהה וגם משמשת בעצמה הוכחה לכך שהרעיון הזה עובד.

"בשלב מסוים, לא יודעת להעריך מתי, מישהו יגלה חומר המקיים את תכונת מוליכות-העל בטמפרטורה של החדר, שבה ניתן לחשוב על יישומים תעשייתיים, ואז, בזכות המחקרים הנוכחיים, הטכנולוגיה שלנו תהיה מוכנה להשתתף בחגיגה, כי חלק מהחומרים שעליהם אנחנו יכולים לפעך כך שישנו את הרכבם בזמן אמת הם מוליכי-על.

"אף שאנחנו מונעים על-ידי המחקר ולא מביאים את הטכנולוגיה לשלב המוצר, אני מחפשת את האופן שבו הטכנולוגיה יכולה להיות רלוונטית לעולם האמיתי".

"חשוב לי בכל כמה שנים ליישם את מכשיר המדידה בתחום חדש"

ד"ר בינה קליסקי לא ידעה שהיא תהיה פיזיקאית. "יש מדענים שמספרים שמגיל צעיר חלמו להיות פיזיקאים ובנו רקטות צעצוע. אני שיחקתי בכול. אהבתי לצייר, לנגן ולקרוא באותה מידה שאהבתי את מיקרוסקופ הצעצוע שלי. למדתי לימודים ריאליים, אבל לקראת התואר הראשון לא באמת ידעתי מה אני רוצה לעשות", היא מספרת.

בתור ילדה היא נחשפה למחקר מדעי דרך סבתה, פסיכולוגית שעסקה גם במחקר. "רציתי ללמוד רפואה, אבל כשהגיע הזמן להתחיל ללמוד, החלטתי להתנסות בכל מיני תחומים בבת אחת, להתחיל מפיזיקה ומחשבים ולקחת כמה קורסים מתחומים שונים, ובהמשך לראות מה הכי מושך אותי", היא אומרת. באותה תקופה פגשה בפיזיקה ובלי לקבל החלטה רשמית, מצאה עצמה דבקה בה. בהדרגה הבינה שהמדע הניסיוני מאוד מתאים לה. "אני חושבת שבכל תחום שבו הייתי מוצאת את עצמי, היה לי מעניין לפתור את החידות, והייתי מנסה ליצור כלים חדשים כדי לענות על חידות מעניינות".

שומרים על הסקרנות

גם לאחר הקמת המעבדה, קליסקי לא מוכנה להתרכז רק בנושא אחד. "במחקר אפשר לבחור תחום וללכת כל החיים לאותם כנסים של אותו תחום. אנחנו מתמקצעים בדבר מסוים - פיתוח שיטת המדידה, אבל חשוב לי לשמור על ראש פתוח, ובאמת בפועל כל כמה שנים אנחנו מיישמים את המכשיר על תחום מחקר חדש. למשל, עכשיו הפיזיקה הקוואנטית מאוד מלהיבה אותנו, אז אנחנו מיישמים את המכשיר במחקר של מעברי פאזה קוונאטיים. זה אומר ששוב אלך לכנסים חדשים שבהם אני לא מכירה אף אחד, אבל ככה אנחנו כל הזמן במרכז ההתרחשות, ואנחנו כקבוצת מחקר גם שומרים על הסקרנות. אנחנו כל הזמן בוחנים בכלי שלנו את השאלות שהכי מסקרנות אותנו, וכשמופיעות התוצאות, מדובר בנקודת מבט חדשה שאף אחד עוד לא ראה בעבר, מעולם. זה מאוד מלהיב".

בין המחקר היישומי למחקר הבסיסי, קליסקי יודעת בדיוק היכן היא נמצאת. "המחקר שלנו דורש הרבה משאבים, בעיקר בגלל עלות ההליום הנוזלי ובגלל פיתוח האלקטרוניקה הרגישה. מעבר לעניין המדעי, זו סיבה נוספת לכך שחשוב לנו להגדיר בכל פעם מחדש מה חשוב ולמקד את שאלות המחקר שלנו בבעיות יסוד של התחום וגם לנסות לפתור אתגרים שחשובים לתעשייה. אולי קל יותר להתרכז בגרגר קטן ולהתמחות בו, אבל הרבה יותר מעניין ומאתגר להיות בצמתים שבהם קורה משהו חשוב, גם אם זה דורש מאיתנו לצאת מאזור הנוחות שלנו".