קטן יותר, מהיר יותר, טהור יותר

 

 

המוליך-למחצה (גאליום ארסני) הטהור ביותר בעולם יוצר באחרונה במרכז למחקר תת-מיקרוני במכון. האלקטרונים הנעים בחומר הטהור הזה יכולים לנוע למרחקים הגדולים ביותר שהושגו עד כה, מבלי להתנגש בחלקיקים אחרים. מדעני המכון שייצרו את החומר הטהור, ד"ר ולדימיר אומנסקי, תלמיד המחקר רפאל דפיצ'יוטי ופרופ' מרדכי הייבלום, נטלו בכך את הבכורה בתחום זה ממעבדות "בל" שבניו-ג'רסי, ארה"ב. הישג זה מעמיד לרשות חוקרי המכון אמצעי מחקר חשוב במירוץ העולמי לפיתוחם של מעבדים אלקטרוניים יעילים ומהירים יותר.

 

יעילותו ומהירות פעולתו של מעבד אלקטרוני תלויות, בין היתר, במשך הזמן הנדרש לאלקטרונים לנוע בחומר שממנו הוא עשוי. כדי להקטין עד למינימום את משך הזמן הזה, אפשר לנסות ולהקטין את המעבד עד כמה שאפשר. דבר זה יקטין את המרחקים שהאלקטרונים "צריכים" לעבור, ויקצר את משך הזמן שיידרש להם לשם כך. דרך אחרת מבוססת על האצת מהירות תנועתם של האלקטרונים בחומר שממנו עשוי המעבד האלקטרוני.

 

מהירות תנועתם של האלקטרונים בחומר כלשהו תלויה בין היתר במידת ה"טוהר" של החומר הזה. ככל שהחומר מכיל יותר "זיהומים" של חומרים זרים, נוטים האלקטרונים שנעים בו להתנגש לעתים קרובות יותר בחלקיקי חומר אחרים, דבר שמאט את מהירותם. ובהתאמה, ככל שחומר הוא טהור יותר, האלקטרונים שנעים בו עוברים מרחקים גדולים יותר מבלי להתנגש בחלקיקים אחרים, דבר שמתבטא בהגברת מהירות התנועה הממוצעת של האלקטרונים האלה.

 

מדענים במעבדות מחקר מהמתקדמות בעולם משקיעים בשנים האחרונות מאמצים רבים בייצור חומרים מוליכים-למחצה טהורים ככל שאפשר, במטרה לאפשר לאלקטרונים לנוע בתוכם במהירויות גדולות יותר ויותר, בתנועה המשמרת את הכיוון ואת האנרגיה של האלקטרונים (כלומר, ללא התנגשויות שמשנות את כיוון התנועה המקורי). השיא העולמי בתחום זה הוחזק עד לאחרונה בידיהם של מדענים ממעבדות "בל" של חברת AT&T בניו-ג'רסי, ארה"ב. שיא מהירות זה עמד על 11.7 מיליון סנטימטר בשנייה (117 קילומטר בשנייה), בשדה חשמלי של וולט אחד לס"מ. כאמור, מדעני המכון הצליחו באחרונה לייצר שכבות של חומר מוליך-למחצה (גאליום ארסני), שבהיותו נתון בטמפרטורה של 0.1 מעלת קלווין (עשירית מעלה בלבד מעל לאפס המוחלט), איפשר לאלקטרונים לנוע בתוכו במהירות של 14.4 מיליון סנטימטר בשנייה (144 קילומטר בשנייה, שהם 518,400 קילומטר בשעה), בשדה חשמלי של וולט אחד לס"מ.

 

חומר טהור זה יוצר במערכת ריק (ואקום) ייחודית שהותקנה ושוכללה במרכז למחקר תת-מיקרוני במכון. מערכת זו מחזיקה את שיא הריק העולמי (היא יוצרת את הלחץ הנמוך ביותר בעולם: 10 בחזקת מינוס 16 אטמוספרות). מדעני המכון הצליחו להשיג את הריק הקיצוני הזה באמצעות מערכת שאיבה ייחודית הפועלת בטמפרטורה של חמש מעלות מעל לאפס המוחלט, וכן הודות לשימוש בשערי מתכת נקיים, תנורים ייחודיים, וחומרי מוצא טהורים במיוחד.

 

גאליום ארסני הוא מוליך למחצה שאפשר לייצר ממנו התקנים אלקטרוניים מהירים ויעילים יותר מהתקני סיליקון. לדוגמה, הרכיב העיקרי במכשירי טלפון סלולאריים, וכן גם התקני הלייזר בנגני תקליטורים, עשויים גאליום ארסני.

 

במרכז למחקר תת-מיקרוני שבמכון, מבוצעים מחקרים שונים שתכליתם - בין היתר - פיתוח התקנים אלקטרוניים על בסיס גאליום ארסני, המיועדים לשמש במעבדים האלקטרוניים של מחשבי העשורים הראשונים של המאה העשרים ואחת.