הכי קטן שאפשר

בשנת 2010 זכו החוקרים הבריטיים אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם בתחום בידוד חומרים לשכבות אטומיות, ובפרט עם גרפן – תוצר שכבות אטומיות של פחמן. מאז, הפך תחום חקר השכבות האטומיות למבוקש במיוחד ברחבי העולם. בפקולטה להנדסה של בר אילן עוסקת בכך המעבדה של ד"ר דורון נווה. "במעבדה שלי יש צוות שלם שעוסק ברכיבי אלקטרוניקה ואופטו-אלקטרוניקה שעשויים משכבה אטומית אחת או כמה שכבות בודדות אטומיות. אנחנו מפיקים מהם מוליכים למחצה שממוזערים בצורה אולטימטיבית, ובונים מהם רכיבי אלקטרוניקה בעלי תכונות ייחודיות", הוא מספר. "גרפן, למשל, הוא החומר המוליך הטוב ביותר שאנחנו מכירים. הוא מוליך חשמל וחום טוב יותר מכל מתכת, הוא שקוף לאור, הוא קשה יותר מיהלום וחזק יותר מפלדה. בשנה שעברה הוענק פרס נובל לפיזיקה לקבוצת חוקרים שגילתה סוגים חדשים של חומרים דו מימדיים שנקראים מבודדים טופולוגייים. לכל משפחת החומרים הזו – החומרים הדו מימדיים - יש תופעות קוונטיות ותכונות פיזיקליות מיוחדות, ולכן אפשר לעשות איתם רכיבים אלקטרוניים ייחודיים. אפשר למשל להשתמש בהם ליצירת טרנזיסטורים מהירים יותר ויעילים יותר אנרגטית, וכך לדוגמה במקום שהבטרייה של הטלפון שלנו תיגמר אחרי כמה שעות היא תיגמר אחרי שבוע או שבועיים, שזה הבדל מאוד משמעותי. אפשר לעשות גם רכיבים של אלקטרוניקה קוונטית, שבפעולה אחת שלהם תהיה שקולה להמון פעולות של רכיב שאינו קוונטי."

בשל המזעור האולטימטיבי שלהם - מעניינת במיוחד האינטראקציה בין המבודדים הטופולוגיים לאור. "החומרים במימד אחד קטנים יותר מהאורך גל של האור עצמו, ולכן הם יכולים לגרום לכל מיני תופעות ייחודיות. למשל, שכשמאירים עליהם נבלע חלק מהאור: אלקטרון אחד עובר למקום אחר ומשאיר אחריו חוסר אלקטרון, כך שנותרים זוגות של אלקטרון וחור. אבל האלקטרון הזה נמשך בחזרה למקום הטבעי שלו, ובגלל שהם שכבה אטומית אחת האלקטרון והחור חייבים להיות מאוד קרובים, אין להם הרבה לאן להתרחק, ולכן כוח המשיכה ביניהם מאוד חזק. ובכלל, כל התופעות שקשורות באינטראקציה של אור וחומר מקבלות בחומרים הללו הגברה מאוד משמעותית."

נווה, בן 44, נשוי ואב לשני ילדים ("הכי מתוקים בעולם"), למד לתואר ראשון ושני, בהנדסת חומרים ובפיזיקה, באוניברסיטת בן גוריון. אחר כך המשיך לדוקטורט במדע החומרים במכון ויצמן, ולשני פוסטים – בפרינסטון ובקרנגי מלון. אל הפקולטה להנדסה בבר אילן הצטרף לפני 5 שנים, והיא הפכה עבורו, לדבריו, למשפחה שנייה. "הזירה המשפחתית אצלנו, והאווירה של הסינרגיה והשילוביות, היא חלק מהסיבה להצלחה של כולם. אנחנו בפקולטה מאוד מפרגנת, בכל מיני רמות, גם ההנהלה וגם חברי הסגל מאוד עוזרים ותומכים אחד בשני, ובעצם הופכים את המקום הזה למקום שמאוד כיף וכדאי להיות בו."

במעבדה שלו, המשויכת למסלול הננו אלקטרוניקה, הוא משתמש במבודדים הטופולוגיים ובשכבות אטומיות של מוליכים למחצה לבניית טרנזיסטורים ייחודיים, שיוכלו להוות פלטפורמה לפיתוח של אלקטרוניקה קוונטית, וגלאי אור רגישים מאוד, שפעילים בו זמנית גם בתחום האור הנראה וגם באינפרא אדום. הוא גם מקדיש זמן לחקר הסחרור של האלקטרונים. "בחלק מהחומרים הללו יש צימוד בין התנע הקווי והתנע הזוויתי של האלקטרונים, כלומר אלקטרון שזז ימינה הוא גם מסתחרר בכיוון אחד ואלקטרון שזז שמאלה הוא מסתחרר בכיוון ההפוך. התופעה הזו מאפשרת דרגת חופש נוספת בזרם של אלקטרונים. כלומר ניתן להרכיב רכיב או מתג שבו יכול להיות או לא להיות זרם, ובנוסף, מידת סחרור האלקטרונים נושאת אינפורמציה נוספת על הזרם החשמלי." אומר נווה. "יש לזה משמעות רבה בכל הנוגע להמשך ההתפתחות בתחום האלקטרוניקה. בארבעים השנים האחרונות, ההתקדמות של יכולות עיבוד האינפורמציה נמדדה על סקאלה של מזעור רכיבים. זאת במטרה להכניס כמה שיותר טרנזיסטורים ליחידת שטח, כדי להגיע לביצועים טובים ומהירים יותר של הרכיב האלקטרוני. אבל התקופה הזו עומדת להסתיים. אנחנו מתחילים להגיע למצב שבו הטרנזיסטורים יגיעו לסקאלה של כמה עשרות אטומים, ואי אפשר יהיה להקטין אותם יותר. כדי שהתעשייה תמשיך להתפתח צריך למצוא פרדיגמה אחרת, ופרדיגמה אפשרית כזו היא לשלוט לא רק על המטען החשמלי של האלקטרון שאנחנו מובילים, אלא גם על הספין, על הסחרור שלו. שליטה כזו תאפשר לנו לשלוט בפעולה אחת על יותר מדרגת חופש אחת, ונוכל לבצע פעולות הרבה יותר מורכבות בלוגיקה שלא תהיה בינארית בהכרח. בסופו של דבר, במקום למזער את הטרנזיסטורים כדי להכניס עוד ועוד מהם ליחידת שטח – נלך לכיוון של טרנזיסטור יותר חכם."