מתג אלקטרו-מכני ננומטרי שפותח בטכניון סולל דרך לטכנולוגיות זיכרון, חישה ומחשוב קוונטי

פרופ’ יובל יעיש, ד”ר שרון רכניץ וד”ר טל טבצ’ניק מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי פיצחו את אחת התעלומות הגדולות במדעי החומר הנוגעת לדרך בה מערכות ננומטריות מאבדות אנרגיה, זאת באמצעות פיתוח מתנד מכני חדשני המבוסס על שפופרות פחמן מוליכות למחצה. המבנה המכני שבבסיס הטכנולוגיה שפיתחו חוקרי הטכניון מאריך את חיי ההתקן כמתג אלקטרו-מכני ומגביר משמעותית (פי עשרה!) את רגישות תדר התהודה המכני שלו לטובת יישומי חישה. שני השיפורים נובעים מ״דחיסה״ של צינורית הפחמן כך שתקבל צורה קשתית ולא של קורה ישרה.

בניית ההתקן בסקלה ננומטרית מספק הצצה לתופעות קוונטיות שאינן זמינות בהתקנים גדולים יותר כגון מערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS). החוקרים סבורים שמתג מכני ננומטרי יהווה בלוק הנדסי חדש לתכנון מחשב קוונטי. ברמה המדעית הבסיסית, ההתקנים שייצרו חוקרי הטכניון מאששים תאוריה מ-2012, הדנה במנגנוני איבוד האנרגיה במערכות ננומטריות. המחקר מראה כי תנודות תרמיות אקראיות של הצינורית ותגובה לא לינארית של המהוד מרחיבות את תדר התהודה ומקטינים את מקדם הטיב  (Quality Factor)שלו.

החוקרים מדגימים את פיזור האנרגיה במרחב הננומטרי ומציגים מבנה חדש לגמרי של שפופרות פחמן ננומטריות. להערכתם, לפיתוח החדשני יהיו השלכות משמעותיות בפיתוח טכנולוגיות ננומטריות אלקטרומכניות ובהן טכנולוגיות חישה רגישות במיוחד, זיכרון משופר, קיוביטים מכניים ומחשוב קוונטי.

שפופרות פחמן זעירות הומצאו לפני כשני עשורים, וכיום מהוות את הבסיס להתקנים אלקטרונים רבים ולהעברת חום, זאת בשל תכונותיהן הייחודיות: חוזק, עמידות למתיחה והמרה של אותות מכניים לאותות חשמליים ולהיפך.

מהוד (Resonator) הוא מתקן הכולא בתוכו גלים ומעצים אותם באמצעות החזרתם מדופן לדופן בתהליך הקרוי העצמה תהודתית. כיום יש בעולם מהודים מתוחכמים ומשוכללים מסוגים שונים אך גם מהודים פשוטים המוכרים לכולנו – למשל תיבת התהודה של גיטרה, המעצימה את הצלילים שמפיקים המיתרים, או גוף החלילית המעצים את הצלילים הנוצרים בפיית הכלי.

 איור 1: סכמה של מעגל המדידה (a), מודל תיאורטי (b) ותדרי תהודה כפונקציה של מתח השער (c, d).

חוקרי הטכניון חיברו כאמור את שני העולמות האלה – מהודים ושפופרות פחמן – ויצרו לראשונה מהודים בשתי קונפיגורציות יציבות אפשריות – בדומה לקליפס מכופף לשיער שיכול להיות פתוח או סגור, או סרגל דק שכשלוחצים עליו הוא יכול להתכופף מעלה או מטה. כיפוף זה של שפופרות הפחמן מקנה להן תכונות חדשות, מאפשר רגישות רבה של תדר התהודה האופייני לכל מצב יציב ומימוש תלת ממדי של אי-יציבות על שם אוילר-ברנולי במעבר בין שני המצבים היציבים.

המחקר פורסם בכתב העת Nature Communications. הוא נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF) ומכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה (RBNI). המחקר מומש בחדרים הנקיים של המרכז למיקרו-ננואלקטרוניקה (MNFU – Micro & nano Fabrication Unit).

למאמר ב– Nature Communications– לחצו כאן

מעבר תלת מימדי של צינורית הפחמן בין שני המצבים היציבים

דחיסה של צינורית פחמן מעבר לנקודת אי-היציבות של אוילר-ברנולי