קול המדע

מחקר בסיסי בכל תחומי הידע

בתמיכת הקרן הלאומית למדע

סודו של האלקטרון הבודד

סודו של האלקטרון הבודד

חישן קוונטי ייחודי מזהה את פליטת החום מהתנגשות של אלקטרונים בפגם אטומי

בשנים האחרונות מפתחים פרופ' אלי זלדוב ושותפיו למחקר ממכון ויצמן למדע, את ההתקן הקטן והרגיש בעולם לפליטות חום. מדובר בהתקן מוליך-על להתאבכות קוונטית בקצה חוד, או SQUID-on-tip. המטרה: לזהות ולחקור את מנגנוני אובדן האנרגיה של האלקטרונים בהולכה חשמלית במוליכים ובהתקנים קוונטיים.

"מוליכות-על היא תופעת טבע שאנחנו מכירים כבר מאה שנה", מסביר פרופ' זלדוב. "חומר מוליך-על הוא חומר שאין בו כל התנגדות לזרימת זרם חשמלי. בדרך כלל זה קורה בטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. אם ניקח כבל מוליך-על ונשרה בו זרם – החשמל ימשיך לזרום לנצח, כלומר האלקטרונים ימשיכו לנוע בו לעד, ללא כל חיכוך ומבלי לאבד אנרגיה. מוליכות-על נהרסת על ידי שני גורמים: טמפרטורה גבוהה ושדה מגנטי גבוה. אנחנו משתמשים  בחולשות האלה של מוליכות-על, כדי לחקור חתימות חום ושדות מגנטיים, באמצעות התקן בשם סקוויד. סקוויד הוא התקן פשוט ברמה העקרונית: טבעת של חומר מוליך-על, המחוברת לשני חוטים. מאחר שאלקטרונים במוליכי-על מתנהגים כמו גלים, נוצרת התאבכות בין האלקטרונים הנעים דרך שני חצאי הטבעת. התאבכות זו יכולה להיות הורסת ויכולה להיות בונה, כתלות בשטף המגנטי בתוך הטבעת. כתוצאה מכך, התקני סקוויד הם ההתקנים הרגישים ביותר לשדות מגנטיים, ואפשר לעשות בהם שימושים רבים כמו חיפושי נפט ואפילו מדידת זרמים במוח עם מכשירי אא"ג".

לפנים, משמאל לימין: פרופ' אלי זלדוב, ד"ר סמיר גרובר, ד"ר יורי מיאסויידוב. מאחור, משמאל לימין: ד"ר אבירם אורי, ד"ר קאוסיק בגני, נדב אוירבך

הרעיון של פרופ' זלדוב וצוותו היה לתכנן התקן סקוויד בסקאלה ננו-מטרית, שיהיה רגיש מספיק כדי לזהות את השדה המגנטי של אלקטרון בודד. לשם כך הם פיתחו מחט ננו-מטרית, שבקצה שלה מתקבלת טבעת מוליכת-על – התקן הסקוויד הקטן והרגיש בעולם.

"הסקוויד בקצה חוד שפיתחנו, רגיש עד כדי כך שהוא יכול למדוד את השדה המגנטי שנוצר כאשר אלקטרון בודד מסתובב סביב עצמו", מסביר פרופ' זלדוב. "אלא שאז גילינו להפתעתנו שההתקן שלנו רגיש מאוד גם לחום – שהרי תופעת מוליכות-העל נהרסת גם על ידי שדה מגנטי וגם כתוצאה מעליית טמפרטורה. מבדיקות שערכנו, התברר שההתקן הזה יכול למדוד טמפרטורה בדיוק של שש ספרות אחרי הנקודה".

 

 

 

ל"מדחום" הרגיש של פרופ' זלדוב יש השלכות מעשיות משמעותיות. המגבלה העיקרית על כוח החישוב במחשבים מודרניים היא התחממות יתר של השבבים האלקטרוניים, אשר נובעת מאיבוד האנרגיה של האלקטרונים הזורמים במעגלים החשמליים. במחשבים קוונטיים איבוד האנרגיה חשוב עוד יותר, שכן הקיוביט, יחידת החישוב הבסיסית במחשוב קוונטי, יכול לשמור על המידע למשך מיקרו-שניות בודדות – ולאחר מכן המידע הולך לאיבוד יחד עם האנרגיה. לכן, אחד האתגרים העיקריים של מהפכת המחשוב הקוונטי הוא לשמור על הקיוביט מפני אובדן אנרגיה, ולהאריך את משך הזיכרון של המערכת. לשם כך צריך לזהות את מקור פליטת האנרגיה – כמו דליפת מים מברז.

ההתקן החדיש מאפשר לנו, בפעם הראשונה, לערוך מיפוי תרמי של מערכות קוונטיות בטמפרטורות נמוכות

"ההתקן החדיש מאפשר לנו, בפעם הראשונה, לערוך מיפוי תרמי של מערכות קוונטיות בטמפרטורות נמוכות", אומר פרופ' זלדוב. "צריך להבין שההתנגדות החשמלית בטמפרטורות כאלה נובעת מכך שהאלקטרונים נתקלים בפגמים אטומיים וגבישיים בחומר עצמו. האלקטרונים מואצים על ידי המתח החשמלי, עד שהם מתנגשים בפגם ומאבדים מהתנע שלהם. זה לא חדש, אלא שאף אחד עוד לא ראה אלקטרון מתנגש בפגם בחומר, מאבד אנרגיה ופולט חום. ההתקן שלנו רגיש מספיק כדי להראות לנו את התהליך הזה 'בעיניים'. אנחנו לוקחים גרפן, שהוא שכבה חד-אטומית של פחמן, מזרימים בו זרם ומצליחים לזהות את הפגמים האטומיים הבודדים גם בחומר הנקי ביותר. אם נדע לזהות את הפגמים האטומיים האלה נדע לתקן אותם ולמנוע את אובדן האנרגיה שלנו – ובהמשך נוכל לשמר את המידע שלנו במחשבים קוונטיים".

 

החיים עצמם:

פרופ' אלי זלדוב

פרופ' זלדוב שוחה מדי בוקר. "זאת ה'מדיטציה' שעוזרת לי לאגור אנרגיה לכל היום".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

הרשמה לקבלת עדכונים מהאתר

אנא שלחו לי הודעה עם קישור
כאשר נוספת לאתר כתבה חדשה

שיתוף ב facebook
Facebook
שיתוף ב pinterest
Pinterest
שיתוף ב twitter
Twitter
שיתוף ב linkedin
LinkedIn